книги из ГПНТБ / Электронные устройства релейной защиты и автоматики в системах тягового энергоснабжения

что объясняется наличием тока утечки.

Изменение напряжения разряда конденсатора оказывает не­ которое влияние на изменение коэффициента диэлектрической аб­ сорбции. Так, увеличение его с 10 до 80 В вызывает понижение максимального значения ка для конденсаторов типа МБГП при­ мерно на 10—20%. Значительно больше на изменение коэффициен­ та диэлектрической абсорбции влияет повышение температуры. Для рассматриваемой группы конденсаторов повышение темпера­ туры до 50—55°С приводит к увеличению к&в 6—8 раз (см. рис. 70).

Приближенно учесть влияние абсорбционных процессов расчет­ ным путем возможно, если допустить, что время срабатывания ре-

Eye

Uc( 0 ) ^ E „ r E [K3e-Ulo -Um y c( 0 W , j

Рис. 71. Эквивалентные схемы реле времени с учетом утечки конденсаторов

иабсорбции:

а — для схемы с зарядом; б — с перезарядом; в — с разрядом

140

ле существенно меньше времени протекания абсорбционных про­ цессов либо, наоборот, значительно больше. С некоторым прибли­ жением при использовании конденсаторов рассмотренных типов первое условие соблюдается для реле с временем срабатывания tcv< 10-г-20 с. Такие выдержки времени в устройствах релейной за­ щиты и автоматики встречаются во многих случаях. При этом усло­ вии можно принять, что напряжение на эквивалентных абсорбци­ онных конденсаторах Uag остается постоянным в течение времени /Ср. При. малых выдержках времени эквивалентные схемы можно представить в виде показанных на рис. 71.

Воспользовавшись принципом наложения, поочередно прини­ мая в эквивалентной схеме рис. 71, б для наиболее общего режи­ ма перезаряда все напряжения равными нулю и последовательно

Учитывая, что реле срабатывает при uc {t)=Uср, можно определить,,

Здесь Ra — эквивалентное сопротивление абсорбционной цепи.. При отсутствии процесса Uag = 0; Ra=oo.

Для схем с зарядом и разрядом соответственно получим:

Из этих соотношений возможно установить, что в схеме с за­ рядом утечка, обусловленная наличием Rye (см. рис. 71, а), и абсорбционные процессы увеличивают выдержку времени (созда­ ют однознаковую погрешность). В схеме с разрядом утечка кон­

141

цессы ее увеличивают. Здесь существует некоторая взаимная ком­ пенсация погрешностей, вызванных этими процессами. Однако следует учитывать, что погрешность, обусловленная абсорбцион­ ными процессами, зависит от времени подготовки реле (время между срабатываниями) и при малом времени подготовки может быть равна нулю.

В схеме с перезарядом токи абсорбционных процессов увеличи­ вают выдержку времени. Погрешность, вызванная сопротивлением утечки конденсатора Ryc, в любой точке процесса частично компен­ сируется вследствие того, что здесь происходят одновременно два процесса: заряд и разряд. На первом этапе процесса — разряд от Оя до 0 — преобладает (хотя и меньшая) отрицательная погреш­ ность, уменьшающая tcр; на втором этапе — от 0 до (7К — положи­ тельная погрешность. Во всех случаях при (/ср< 0 существует точ­ ка, где погрешность, вызванная Ryc, равна нулю. Для реле време­ ни, у которых tap больше времени протекания абсорбционных про­

Если выполнить реле времени с постоянным и небольшим вре­ менем подготовки, то можно полностью исключить влияние абсор­ бционных процессов конденсатора на его стабильность.

142

§ 29. Влияние на точность реле времени параметров нуль-индикатора и управляющего элемента

В транзисторах реле времени в качестве нуль-индикатора ис­ пользуют транзистор либо диод. В качестве управляющего элемен­ та обычно применяют транзистор.

Влияние этих элементов на точность реле времени, кроме не­ которых общих закономерностей, зависит от конкретного выпол­ нения реле. Поэтому рассмотрим их влияние для двух наиболее ха­ рактерных упрощенных схем с зарядом и перезарядом конденса­

низкоомным (относительно R) резистором RK. При запуске схе­ мы транзистор 77 открывается, а диод Д закрывается — начина­ ется заряд конденсатора. Когда напряжение на нем достигнет зна­

чения ПСр-|-Ибо, реле сработает.

В схеме с перезарядом транзистор 77 в начальный момент так­ же закрыт, конденсатор С заряжен (по цепи база—эмиттер тран­ зистора Т2, резистор Rk). Когда транзистор 77 открывается, начи­ нается разряд конденсатора С (цепь через Т1 и R). В момент, ког­ да напряжение на правой обкладке конденсатора становится рав­ ным — Ибо, реле срабатывает.

Как видно из приведенных схем, на процессы заряда и пере­

сквозной ток коллектор—эмиттер закрытого управляющего транзи­ стора, напряжение на базе открытого транзистора Uб0, падение напряжения на диоде в прямом направлении и я.

В схеме рис. 73 напряжение на конденсаторе в начальный мо­ мент времени отлично от нуля на величину Ua-\-RIKso■Кроме за­

X X

Рис. 73. Эквивалентные схемы реле времени с зарядом конденсатора для исход­ ного состояния (а) и для момента срабатывания (б)

143

смотренных реле времени. Воспользовавшись; например, приведен­ ным выше методом наложения, нетрудно получить следующие вы­

7/бо, /кэо и Т/кн. которые имеют смысл только применительно к конк­ ретной схеме):

_ t _

« с р ( 0 = ( 7 / 2 - 7 / з - / к о / ? э) + ( ^ п 1 - 7 / 2 + 7 / з - / ? / к о ) ^ Т з ; ( 2 8 1 )

144

рассмотренных выше, важнейшей составляющей в формировании погрешности является ЯДко- Здесь нецелесообразно пользоваться приведенным выше методом, так как он предусматривает, что изме­ нения величины относительно номинального значения невелики. Нулевой ток коллектора транзистора либо диода может изменять­ ся под воздействием температуры или старения в десятки и сотни раз. Поэтому целесообразно подсчитывать погрешность схемы с /ко = Д о макс по отношению к случаю, когда /ко = 0.

§30. Некоторые принципы выполнения

ипрактические реализации реле времени

Наиболее просто выполнить реле времени с перезарядом кон­ денсатора, используя транзисторно-емкостной каскад задержки, где транзистор выполняет роль нуль-индикатора, фиксирующего завершение переходного процесса разряда конденсатора. Такие схемы просты, но имеют существенный недостаток: невозможно по­ лучить большие выдержки времени с высокой стабильностью. Это объясняется прежде всего влиянием тока / ко на время разряда кон­ денсатора и ограничением, вносимым относительно низким коэф­ фициентом усиления В транзистора. Из выражения (280) видно,

145

что это влияние /ко будет тем меньше, чем меньше сопротивле­ ние Яб, включенное в цепь базы [в формуле (280) Яб = /?э1.

температуре может достигать 150—300 мкА и более. В этих усло­ виях уже при Я б = 2 0 кОм погрешность может превышать 20%. В конкретных реле времени обычно сопротивление Яв выбирают не более 10—20 кОм. Поэтому для получения выдержек времени в не­ сколько десятков или сотен секунд приходится применять конден­ саторы (бумажные) емкостью в несколько десятков и сотен микро­ фарад, что практически неприемлемо.

Если в качестве нуль-индикатора используется кремниевый транзистор, можно получить несколько большие выдержки време­ ни. Это объясняется тем, что нулевые токи коллектора у кремние­ вых транзисторов на один-два порядка меньше, чем у германиевых, и составляют единицы микроампер. В связи с этим по величине /ко разрядное сопротивление Яв может быть.увеличено до 200 ■— 500 кОм. Однако -с увеличением сопротивления Яб уменьшается ток базы транзистора. Коэффициент усиления транзистора при ма­ лых токах обычно существенно уменьшается (см. главу I). Поэ­ тому разрядное сопротивление ограничивают величиной 150— 300 кОм. В реле времени с использованием кремниевого плоскост­ ного транзистора с двухкаскадным усилителем (рис. 75) макси­ мальное разрядное сопротивление Яб, при котором реле работало устойчиво, составило примерно 200 кОм.

Значительно лучшие результаты как по коэффициенту исполь­ зования емкости конденсатора, так и по стабильности можно полу­ чить, используя в качестве нуль-индикатора кремниевый диод. Благодаря тому что обратное сопротивление современных крем­

может быть увеличено до нескольких мегом. Однако возникают не­ которые трудности с возможностью усиления столь малых токов. В простых схемах потенциальных усилителей на транзисторах уси­ ления таких токов осуществить не удается вследствие значительно-

Рис. 75. Реле времени с перезарядом конденсатора и двухкаскадным транзисторным нуль-индикатором (а); погрешность его в зависимости от температуры (б)

146

Рис. 76. Реле времени с перезарядом конденсатора, имеющее диодный нуль-ин­ дикатор и регенеративный усилитель (а), и его осциллограмма работы (б)

го температурного и временного дрейфа выходного сигнала, вы­ званного изменением /к0.

В одном из вариантов реле времени с использованием переза­ ряда конденсатора в качестве нуль-индикатора применен кремние­ вый диод ДЗ, а в качестве усилителя — блокннг-генератор (рис. 76). В процессе разряда конденсатора Ct кремниевый диод ДЗ за­ перт. После окончания разряда диод ДЗ открывается, и через не­ го начинает протекать ток, ограниченный разрядным резистором Rs. Поскольку сопротивление R3 достигает 106—Ю7Ом, то ток, про­ текающий через диод, оказывается очень малым и составляет де­ сятые доли микроампер. С целью точной фиксации момента откры­ тия диода и для получения достаточного выходного тока конден­ сатор С\ и диод ДЗ включены в цепь обратной связи блокинг-гене- ратора 77. Это позволяет определить момент окончания разряда конденсатора, поскольку в этот момент меняется направление то­ ка в диоде (диод открывается). Сопротивление диода резко умень­

ратор.

Импульс с коллектора транзистора блокинг-генератора вызыва­ ет срабатывание выходного триггера (транзисторы Т2, ТЗ). При от­ рицательном потенциале на входе реле триггер возвращается в исходное положение и принудительно удерживается в этом состо­ янии (цепь R6 Д6, Д7). Если на вход поступает сигнал с высоким потенциалом, цепь блокировки триггера отключается, однако он продолжает оставаться в исходном состоянии до момента сраба­ тывания блокинг-генератора, так как транзистор Т2 при этом удер­ живается открытым (цепь Rs, Ri0, Д7, Д8).

После первого срабатывания блокинг-генератора конденсатор

147

тывание триггера и исключается случайный возврат его в исходное положение под воздействием помех.

Подготовка реле к работе после окончания входного сигнала, происходит очень быстро. Это объясняется тем, что разрядное со­ противление R3 составляет несколько мегом, а зарядное сопротив­ ление — сотни омов, при этом время подготовки может составлять десятые доли процента от времени уставки реле.

В практических схемах рассмотренного реле времени максима­ льное разрядное сопротивление, при котором устойчива работа блокинг-генератора в диапазоне температур от —40 до 60°С, со­ ставляет примерно 10 МОм. Коэффициент использования конден­ сатора при этом 7 с/мкФ.

Для определения погрешности, вызванной нестабильностью конденсатора, а также стабильности собственно реле времени бы­ ло исследовано поведение реле при нагревании только конденса­ тора и только реле.

Как видно из кривых, снятых при раздельном нагревании (рис. 77), нестабильность, вносимая конденсатором, может сущест­ венно превосходить нестабильность реле времени. Нестабильность, создаваемая токами абсорбции и утечки конденсатора, существен­ но проявляется при высокой температуре и больших выдержках времени. При выдержках менее 10 с погрешность реле в интервале температур от —40 до +50°С лежит в пределе 10%, что приемлемо для устройств релейной защиты и многих устройств автоматики.

Рис. 77. Погрешности реле времени в зависимости от длительности заряда кон­ денсатора для больших, равных 100 с (а), и малых, равных 10 с (б), выдержек времени при нагревании только конденсаторов (в) и только реле времени с вы­ несенными конденсаторами (г):

148

Рис. 78. Диодный нуль-индикатор с дифференциальным усилителем (а) и реле

времени (б)

Для уменьшения влияния абсорбции в реле с большими вы­ держками времени (более 10 с) целесообразно выполнять схему таким образом, чтобы время подготовки было постоянным. Доста­ точно просто это можно осуществить, введя дополнительный кас­ кад транзисторной задержки. В исходном состоянии основной конденсатор разряжен, а дополнительный заряжен. При запуске реле дополнительный конденсатор разряжается и управляющий транзистор закрывается. Начинается заряд основного конденсато­ ра. Время разряда основного конденсатора выбирается (3-7-5) т3.

В такой схеме абсорбционные процессы практически не сказы­ ваются даже при выдержках времени реле более 100 с.

Если на транзисторных схемах с дискретными компонентами могут быть созданы реле времени с удовлетворительными харак­ теристиками, то для микроэлектронных (интегральных) устройств необходимы более эффективные схемы. Действительно, наличие трансформаторной связи в наиболее эффективной из рассмотрен­ ных схем — реле времени с блокинг-генератором — значительно увеличивает размеры элемента по сравнению с другими микроэлек­ тронными схемами. Размеры конденсаторов;(0,5—2,0 мкФ), необ­ ходимых для получения выдержки времени от долей до нескольких секунд, также значительны. Приемлемую для микроэлектронного исполнения схему реле времени можно получить, если использо­ вать в ней диодный нуль-индикатор с дифференциальном операци­ онным усилителем (см. рис. 51). Такое реле времени (рис. 78, где НИ обозначена схема рис. 53), работает аналогично реле с бло­ кинг-генератором. При запуске схемы начинает разряжаться кон­ денсатор С. В момент, когда напряжение на конденсаторе стано­ вится равным нулю, срабатывает нуль-индикатор, и на его выходе появляется последовательность импульсов. При первом же импульсе этой последовательности происходит сброс триггера, выполненно­ го на интегральных элементах И-НЕУи И-НЕ2. По окончании вход­ ного импульса триггер возвращается в исходное положение: цепь через И-НЕг.

В этой схеме используется транзисторов больше, чем в схеме рис. 76. Однако схема рис. 78 может быть осуществлена полностью

149