5.5. Релейные схемы

5.5.1. Электромагнитные контактные реле. Общие сведения и основные параметры

Реле — это устройство, состояние которого изменяется скачком при достижении входным сигналом определенного порогового значения. В настоящее время широко распространены контактные электромеханические реле, в которых электрическая энергия преобразуется в скачкообразное механическое перемещение, вызывающее замыкание или размыкание контакта во внешней цепи.

Основные параметры электромеханических реле:

1.Ток срабатывания Iсраб — наименьшее значение тока в обмотке реле, при котором происходит срабатывание реле, т.е. замыкание или размыкание контактов. Для обеспечения надежной ра-

боты реле рабочий ток Iраб , протекающий через обмотку реле во включенном состоянии, выбирают в 1,2...4 раза больше, чем ток срабатывания. Зная сопротивление обмотки постоянному току

Rобм , можно найти напряжение срабатывания: Uсраб = Iсраб R обм и рабочее напряжение реле: Uраб = Iраб Rобм .

Iсраб зависит от числа витков обмотки ωобм и может лежать в достаточно широких пределах. Чем больше число витков ωобм , тем меньше значение Iсраб и тем выше чувствительность реле. У наиболее чувствительных электромеханических реле обмотка имеет несколько тысяч витков, а ток срабатывания составляет единицы миллиампер.

Чувствительность выбранного типа электромеханического реле можно повысить, включив обмотку реле в выходную цепь усилителя. Такое реле называют электронным. Его чувствительность зависит от коэффициента усиления схемы.

2.Ток отпускания Iотп — наибольшее значение тока в обмотке, прикоторомпроисходит отпускание реле, т.е. размыкание изамыкание контактов. Для электромеханических реле ток отпускания меньше тока срабатывания. Разницу между токами Iотп и Iсраб оценивают

спомощью коэффициента возврата

kвозв = Iотп / Iсраб < 1.

236

Взависимости от типа реле коэффициент возврата лежит в преде-

лах 0,2...0,95.

3.Время срабатывания tсраб , отсчитываемое от момента подачи на обмотку реле скачка напряжений до момента срабатывания реле. Время срабатывания состоит из двух составляющих:

а) времени трогания tтрог , за которое ток в обмотке реле возрастает до значения тока срабатывания (якорь реле за время tтрог остается неподвижным);

б) времени движения якоря реле tд.я, в течение которого якорь совершает полное перемещение (замыкает или размыкает контакты).

Вэлектромеханических реле с маломощными контактами время трогания составляет примерно 10...30 % от времени срабатывания.

При использовании электромеханических реле в системах автоматического управления время срабатывания должно быть минимальным, чтобы обеспечить достаточное быстродействие системы.

При автоматизации производственных процессов часто приходится сталкиваться с необходимостью включения или выключения автоматических цепей через определенный интервал времени после подачи управляющего сигнала. Реле, в которых обеспечивается время срабатывания в диапазоне свыше 0,5 с с заданной степенью точности, называются реле времени. Время срабатывания этого реле называется временем выдержки.

4.Время отпускания tотп, за которое реле приходит в исходное состояние при скачкообразном снятии напряжения на обмотке.

Время tсраб и tотп характеризуются одними и теми же физическими процессами, поэтому для большинства типов реле они соизмеримы друг с другом.

5.5.2. Электронные реле

Простейшая схема электронного контактного реле на транзисторе приведена на рис. 5.24.

В исходном состоянии, т.е. при отсутствии входного сигнала, транзистор закрыт благодаря наличию источника смещения Есм, подключенного через резистор R2 к базе и обеспечивающего отрицательный потенциал базы относительно эмиттера при самых неблагоприятных условиях. Для надежного запирания транзистора должно выполняться условие R2 ≤ Eсмmin / I кб0 max ,

237

Iб = E −RUбэ − EсмR−Uбэ ,

1 э

вызывающий появление коллекторного тока:

I к(t) = Iб h21э(1 − e−t / τL ) .

Коллекторный ток скачком возрасти не может из-за инерционных свойств транзистора и обмотки реле. Если пренебречь инерционностью транзистора, то коллекторный ток нарастает по экспоненциальному закону с постоянной времени τL = Lобм /Rобм (где Lобм — индуктивность обмотки реле), стремясь к уровню Iбh21э .

Если Iб h21э < Ек /Rобм , то значение Iб h21э определяет рабочий ток реле. При Iб h21э ≥ Ек /Rобм транзистор входит в режим насыщения и рабочий ток реле равен коллекторному току насыщения:

I раб = I кн = Eк / Rобм .

Когда ток коллектора при своем нарастании достигнет значе-

откуда легко определить время трогания.

238

Учитывая, что tдв = 0,4...1,0 tтрог , можно найти время срабатывания реле

tсраб = tдв + tтрог = (1,4...2,0) tтрог .

В момент снятия входного напряжения Е через базу транзисто-

ра протекает обратный ток Iбзап ≈ Eсм −Uбэ , способствующий

R2

быстрому запиранию транзистора. При уменьшении коллекторного тока до значения Iотп реле возвращается в исходное состояние.

При выборе транзистора следует учитывать, что напряжение на коллекторе закрытого транзистора может существенно превышать напряжение источника питания из-за ЭДС обратного выброса, возникающей при запирании транзистора и направленной согласно напряжению Ек . Для устранения обратного выброса коллекторного напряжения или колебательного процесса в коллекторной цепи параллельно обмотке реле включают диод, который отпирается, если напряжение наколлекторепревыситнапряжениеЕк, ишунтируетобмоткуреле.

Электронное контактное реле позволяет существенно уменьшить мощность управления, однако, быстродействие его ограничивается временем срабатывания и временем отпускания электромеханического реле, являющегося его составной частью. Поэтому в быстродействующих системах автоматического управления, как правило, применяются бесконтактные электронные реле, например триггер Шмитта, принципиальная схема которого и временнûе диаграммы, иллюстрирующие принцип работы, приведены на рис. 5.25, а, б.

В исходном состоянии при Еr = 0 транзистор VT1 закрыт, а VT2 открыт и находится в режиме насыщения. Условие насыщения

транзистора VT2 определяется соотношением Iб2 h21эmin ≥ Iкн2. При рассмотрении триггера Шмитта индекс 2 относится к параметру

транзистора VT2, а индекс 1 — к параметру транзистора VT1 . Предполагая, что Rк1 + R1 >> Rк2, R2 >> Rэ, и пренебрегая об-

ратным током транзистора VT1, а также падением напряжения на переходах транзистора VT2, условие насыщения приближенно можно записать следующим образом:

239

Рис. 5.25. Схема бесконтактного электронного реле на основе триггера Шмитта (а) и временнûе диаграммы работы (б)

где U э2 = I э2 Rэ ≈ EкRэ /(Rк2 + Rэ )— падение напряжения на резисторе Rэ от протекания тока эмиттера транзистора VT2.

Условие запирания транзистора Uбэ1 = Uб1 – Uэ < 0 при Er = 0 выполняется автоматически, так как Uэ = Uэ2 > 0, Uб1 ≈ Er = 0.

При увеличении входного напряжения Er транзистор VT1 открывается при Uбэ1 = 0, т.е. когда

Er = Er1 =Uэ2 = EкRэ /(Rк2 + R2 ).

Напряжение Еr1 является пороговым уровнем, определяющим уровень срабатывания Uсраб .

При Er = Er1 появляется коллекторный ток Iк1, приращение которого через конденсатор С передается в базу транзистора VT2, создавая запирающий базовый ток Iб2 зап и выводя транзистор VT2 из режима насыщения. Ток Iк2 уменьшается. Это приводит к уменьшению эмиттерного напряжения Uэ = Iэ2Rэ и, следовательно, еще большему отпиранию VT1, т.е. дальнейшему возрастанию тока Iк1. Таким образом, в схеме действует положительная обрат-

240

ная связь, создаваемая резистором Rэ . Процесс развивается лавинообразно до тех пор, пока транзистор VT1 не войдет в режим насыщения, a VT2 не закроется. При этом напряжение на выходе схемы изменится от значения Uэ2 до Ек.

Кроме положительной обратной связи резистор Rэ создает еще и отрицательную обратную связь, которая препятствует отпиранию транзистора VT1 . Однако действие положительной обратной связи гораздо сильнее, так как приращение эмиттерного тока за счет положительной обратной связи ∆Iэ2 больше, чем за счет отрицательной ∆Iэ1 .

Действительно, ∆Iб1<< ∆ I б2 = ∆ I к1 = h21 э∆ I б1 . Следовательно,

∆Iэ1 << Iэ2 .

Для обеспечения насыщения транзистора VT1 при срабатывании триггеранеобходимовыполнитьусловиеRк1 > Rк2 . Обычновыбирают:

Rк1 = (2...3)Rк2 .

Условие запирания VT2 (Uбэ2 = Uб2 – Uэ1 < 0) при насыщении VT1 выполняется автоматически, так как пренебрегая падением напряжения на переходах насыщенного транзистора VT1 (Uкб1 ≈ 0, Uбэ1 ≈ 0, Uкэ1 ≈ 0), можно записать Uк1 ≈ Uэ1 .Тогда

При дальнейшем увеличении входного сигнала Еr > Er1 состояние триггера не изменяется, лишь увеличивается ток базы Iб1 транзистора VT1 .

При снижении входного напряжения до значения Er = Еr2 < Еr1 ток базы уменьшается настолько, что транзистор VT1 выходит из режима насыщения. Напряжение Uк1 увеличивается, что приводит к отпиранию VT2 . Напряжение Er = Er2 , при котором происходит отпирание транзистора VT2, называется пороговым напряжением отпускания Uотп . После отпирания VT2 триггер Шмитта перебрасывается в исходное состояние, когда транзистор VT1 закрыт, a VT2 открыт и насыщен. Выходное напряжение Uвых = Uк2 изменяется от значения Ек до Uэ2 .

241

Напряжение Еr2 всегда меньше Еr1 , так как определяется моментом выхода транзистора VT1 из режима насыщения и увеличением Uк1 до значения, при котором будет иметь место равенство:

где λ = R2 /(R1 + R2 ).

При Rr << h21эRэ формула упрощается, т. е.

Если элементы схемы рассчитаны так, что получается Еr1 < Еr2, то триггер Шмитта превращается в обычный двухкаскадный усилитель с обратной связью.

Электронное реле можно выполнить и на основе операционного усилителя (ОУ) без обратной связи.

При включении такого ОУ даже небольшое входное напряжение (доли милливольт) вызывает скачкообразное изменение выходного напряжения до определенного уровня, называемого уров-

нем насыщения Uнас.

В зависимости от знака входного напряжения уровень насыщения может быть положительным и отрицательным. Например, в схеме так называемого детектора нуля (рис. 5.26, а) при положительном входном напряжении будем иметь отрицательный уровень насыщения и, наоборот, при отрицательном входном напряжении — положительный уровень насыщения (рис. 5.26, б).

242

где ±Uнас — положительный или отрицательный уровень насы-

щения выходного напряжения при

определении Uсраб или Uотп соответственно.

Из формулы (5.1) видно, что пороговое напряжение существенно зависит от значения опорного напряжения Uоп .

Рис. 5.27. Временнûе диаграммы триггера Шмитта на ОУ

243