Глава 9. БЕСКОНТАКТНЫЕ РЕЛЕ

9.1. Сравнительная характеристика контактных и бесконтактных реле

Отличие бесконтактных элементов релейного действия от контактных реле состоит в том, что они воздействую на внешние цепи не в результате механического размыкания и замыкания контактов, а вследствие резкого изменения какого-либо параметра цепи (см. рис. 2.6) – активного сопротивления, индуктивности или емкости.

Бесконтактные реле имеют более высокую надежность из-за отсутствия подвижных частей (якорь) и их механического износа, а также из-за отсутствия контактов, которые подвергаются интенсивному разрушению под действием искры и дуги. Отсутствие инерционных подвижных частей определяет также более высокое быстродействие бесконтактных реле и также независимость их работы от положения в пространстве. Последним свойством не обладает большинство контактных реле.

Важным достоинством бесконтактных реле являются их малые размеры. Особенно это касается элементов в микроэлектронном исполнении.

К наиболее типичным недостаткам бесконтактных реле по сравнению с контактными относятся их более высокая чувствительность к внешним электромагнитным влияниям, помехам, подверженность воздействию радиации, зависимость от качества электрического питания. Это требует применения экранов, фильтров и других защитных мероприятий. Для бесконтактных элементов характерен такой трудно обнаруживаемый отказ как сбой (кратковременная потеря работоспособности). В это смысле можно сказать, что контактные реле – менее “прихотливый”, более “грубый” элемент, который не требует настройки и не подвержен внешним помехам. По этой причине проблема создания бесконтактного реле I класса надежности с интенсивностью отказов более сложна, чем у контактных реле, где это достигается достаточно простыми конструктивными мерами. Важным качеством контактных реле является также то, что их состояние можно наблюдать визуально. Это облегчает контроль их работы и упрощает процедуры поиска отказов.

Еще один недостаток бесконтактных реле заключается в отсутствии полного гальванического отключения нагрузки, как это обеспечивают контакты. В результате этого в выключенном состоянии в цепи нагрузки может протекать некоторый ток холостого хода.

9.2. Бесконтактное магнитное реле

Бесконтактное магнитное реле (БМР) представляет собой магнитный усилитель, работающий в релейном режиме. Простейший магнитный усилитель (рис. 9.1, а) образуется из замкнутого ферромагнитного сердечника, на котором намотаны обмотки переменного тока (рабочая) w_р, в цепь которой включены нагрузка z_н, и обмотка постоянного тока (управления) w_у. Входным током усилителя является ток управления I_у, а выходным – ток нагрузки I_н.

Принцип действия магнитного усилителя основан на том, что при изменении подмагничивающего тока Iу изменяется магнитная проницаемость ферромагнитного материала и индуктивность рабочей обмотки

,

где S, l – соответственно площадь поперечного сечения и длина силовой линии сердечника.

Зависимость L_p(I_у)[μ(I_у)] приведена на рис. 9.2, а (кривая 1). При I = 0 (H = 0) величина μ максимальна, так как максимальная скорость изменения индукции на основной кривой намагничивания B(H). С увеличением I_у происходит насыщение материала сердечника, крутизна кривой B(H) уменьшается и уменьшается величина μ. Зависимость I_н(I_у), которая называется нагрузочной характеристикой, имеет обратный вид (кривая 2), поскольку . При I_у = 0 по нагрузке протекает ток холостого хода I_хх.

Для увеличения коэффициента усиления используется еще одна обмотки постоянного тока (обмотка смещения) w_см (см. рис. 9.1, а), которая обеспечивает постоянное подмагничивание сердечника ( ), и нагрузочная характеристика смещается параллельно влево (кривая 3) или вправо. При этом возрастает k_у (в области положительных значений I_у), но и увеличивается ток холостого хода.

Рис. 9.1. Схемы магнитных усилителей

Рис. 9.2. Характеристики магнитных усилителей

Более эффективным средством повышения k_у является применение обмотки положительной обратной связи w_ос, включаемой через выпрямитель в цепь нагрузки (рис. 9.1, б). В ней создается постоянная составляющая напряженности поля, которая действует согласно с напряженностью поля обмотки управления.

Коэффициент обратной связи

.

В сравнении с характеристикой простого усилителя (кривая 2) (рис. 9.2, б) нагрузочная характеристика магнитного усилителя с обратной связью (кривая 4) сдвигается влево с поворотом против часовой стрелки. Это увеличивает крутизну характеристики и, следовательно, коэффициент усиления. Угол поворота кривой и ее крутизна тем больше, чем больше k_ос. При k_ос > 1 скачкообразно изменяется ток нагрузки (кривая 5), и магнитный усилитель работает в релейном режиме.

Рис. 9.3. Характеристики бесконтактного магнитного реле

В зависимости от наличия и значения тока смещения БМР может иметь три режима работы. При отсутствии тока смещения – получается режим с нормально замкнутым выходом (рис. 9.3, а). Если I_у = 0, то I_н = max, и нагрузка включена. Это соответствует работе тылового контакта (см. рис. 2.3, б). При определенном I_см релейная характеристика смещается вправо так, что возникает режим с нормально разомкнутым выходом (рис. 9.3, б). Это соответствует работе фронтового контакта (см. рис. 2.3, а). Если I_см таков, что ось I_н проходит по середине релейной характеристики (рис. 9.3, в), то БМР работает аналогично поляризованному реле в режиме с нейтральной регулировкой (см. рис. 6.2, б).

Достоинствами БМР являются высокая надежность, отсутствие контактов и подвижных частей, независимость работы от положения в пространстве, виброустойчивость, недостатками – наличие тока холостого хода, возможность коммутации только одной цепи нагрузки, сравнительно большие размеры и большое потребление энергии.

9.3. Магнитные элементы с прямоугольной петлей гистерезиса

Магнитные сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) (рис. 9.4, а) являются элементами релейного действия, так как ППГ имеет вид релейной характеристики (рис. 9.4, б). Ее можно сравнить с характеристикой поляризованного реле (см. рис. 6.2, б). Материал с ППГ может сколь угодно долго сохранять состояние остаточного магнетизма плюс B, или минус B, и обладает, таким образом, естественной памятью. При перемагничивании и плавном изменении напряженности поля H скачкообразно изменяется индукция B. Релейные свойства сердечника тем лучше, чем больше коэффициент прямоугольности петли .

Рис. 9.4. Магнитный сердечник с ППГ и петля магнитного гистерезиса

Рис. 9.5. Импульсное перемагничивание сердечника с ППГ и диаграммы изменения параметров

Сердечник с ППГ изготавливают из ферритов или металлической ферромагнитной ленты. Из ферритов наибольшее применение имеют магниево-марганцевые ферриты (Mg – Mn), у которых коэффициент прямоугольности достигает значений 0,96-0,98.

Основным преимуществом ферритов является относительная простота процесса производства и малая стоимость. Размеры ферритовых сердечников находятся в пределах от долей до нескольких миллиметров. Для изготовления ленточных сердечников применяют ленты толщиной 1-10 мкм из железоникелевых сплавов. Их преимуществом является высокая температурная стабильность характеристик (диапазон температур от минус 60 до плюс 120ºС).

Сердечники с ППГ работают в режиме импульсного перемагничивания. В этом случае на сердечнике располагаются обмотки записи w_з, считывания w_сч и выходная w_вых (см. рис. 9.4, а). Ток записи i_з, протекающий по обмотке записи, создает положительную напряженность поля и перемагничивает материал в состояние плюс B_r, ток считывания i_сr перемагничивает материал в состояние минус B_r (рис. 9.5, а). В обмотки записи и считывания попеременно подаются прямоугольные импульсы тока, и происходит перемагничивание сердечника соответственно из состояния минус B_r в состояние плюс B_m и из состояния плюс B_r в состояние минус B_m (рис.9.5, а). При этом в обмотке ω_вых индуктируются выходные импульсы:

u_вых = - ωS ,

различающиеся амплитудой и полярностью. Импульсы большой амплитуды называют рабочими, а импульсы малой амплитуды, возникающие во время изменения индукции B_m→B_r или B_r→B_m, называют импульсами помехи.

Динамика процесса импульсного перемагничивания описывается уравнением, полученным в результате теоретических и экспериментальных исследований и определяющим скорость перемагничивания магнитного сердечника:

,

где r_m – максимальное приведенное динамическое сопротивление сердечника, Ом/см; H₀ – напряженность поля, необходимая для полного перемагничивания материала сердечника ( ).

Максимальная скорость изменения индукции наблюдается при B = 0 (см. рис. 9.4, б). Поэтому

.

Увеличение (9.2) определяет амплитуду выходного импульса [см. формулу (9.1)], которая линейно возрастает с увеличением напряженности намагничивающего поля.

Время переключения сердечника τ определяется из уравнения:

,

где S_w - коэффициент переключения, равный количеству электричества, необходимому для переключения ­­сердечника из состояния B_r в состояние B_m, отнесенного к единице длины силовой линии.

Для прямоугольных импульсов тока

,

откуда

,

т.е. быстродействие сердечника с ППГ линейно возрастает с увеличением напряженности намагничивающего поля.

Динамические параметры сердечников r_m и S_w указываются в справочниках. Например, для феррита марки 1,3 ВТ:

Н_с = 1,0 А/см; В_r = 23,5 Тл; ; Н₀ = 1,4 А/см; r_m = 215 Ом/см; S_ω = 0,4 мкк/см..

Используя сердечники с ППГ, строят двоичные дискретные элементы, используемые в устройствах автоматики и вычислительной техники. Элемент (см. рис. 9.4, а) является двоичной запоминающей ячейкой, из которых состоят запоминающие устройства (ЗУ) вычислительных систем. Схема ЗУ для хранения четырехразрядного двоичного числа приведена на рис. 9.5, б.

При записи, например, числа 1010 в обмотки записи первой и третьей ячеек посылаются импульсы тока, и сердечники этих ячеек перемагничиваются в состояние плюс B_r. Сердечники второй и четвертой ячеек сохраняют минус B_r. При необходимости выборки данного числа из ЗУ в обмотки считывания ячеек, которые соединены последовательно, подается импульс тока. Сердечники первой и третьей ячеек перемагничиваются из состояния плюс B_r в состояние минус B_r. В их выходных обмотках индуцируются импульсы большой амплитуды. Это говорит о том, что первый и третий разряды двоичного числа равны 1. Выходные импульсы воспринимаются регистрирующими схемами.

Сердечники с ППГ используют также в феррит-диодных и феррит-транзисторных модулях. В феррит-транзисторном модуле (ФТМ) транзистор и ферритовое кольцо связываются (рис. 9.6, а) с помощью двух обмоток – базовой w_б и коллекторной w_к. В базовой обмотке при перемагничивании кольца индуцируется ЭДС, воздействующая на базовую цепь транзистора. Последний открывается при изменении индукции плюс B_r→минус B_m (при считывании). Коллекторная обмотка образует положительную обратную связь. Она действует согласно с обмоткой считывания и способствует перемагничиванию кольца при открытии транзистора. ФТМ имеет по две обмотки записи и считывания и обмотку гашения, которая действует так же, как обмотка считывания, но имеет большее число витков. Выходом ФТМ является эмиттерная цепь транзистора. К выходу подключаются в качестве нагрузки обмотки других ФТМ.

Рис. 9.6. Схемы на феррит-транзисторных модулях

На ФТМ строят импульсные логические схемы (рис. 9.6, б, в, г). В этих схемах используются следующие условные обозначения: входящие стрелки обозначают входные обмотки, а выходящая стрелка – выход ФТМ; обмотки записи отмечаются цифрой 1 внутри круга, а обмотки считывания и гашения – цифрой 0; обмотки гашения выделяется двойной стрелкой. Импульсные схема на ФТМ требуют двухтактного питания, так как в обмотки записи и считывания импульсы тока должны поступать в разные моменты времени (такты). На рис 9.6 такты отмечены одним или двумя штрихами.

В схеме ИЛИ (см. рис. 9.6, б) двоичные переменные x₁ и x₂ подаются в обмотки записи в первом такте. Причем, если x = 1, то это означает наличие импульсов тока в обмотке, если x = 0 – их отсутствие. В обмотку считывания во втором такте поступает постоянное импульсное питание. Если хотя бы одна из переменных x₁, x₂ равна 1, в первом такте кольцо перемагничивается в состояние плюс B_r, а во втором – в состояние минус B_r. Транзистор открывается во втором такте, т.е. выходной сигнал равен 1.

В схеме И (см. рис. 9.6, в) транзисторы двух ФТМ соединены последовательно. Сигнал на выходе равен 1 только тогда, когда оба транзисторы открываются одновременно во втором такте. Для этого в первом такте необходимо перевести оба кольца в состояние плюс B_r, т.е. x₁ = 1 и x₂ = 1.

В схеме НЕ (см. рис. 9.6, г) используется обмотка гашения, в которую поступает сигнал x. Если x = 0, то в первом такте приходит импульс тока в обмотку записи, во втором такте – в обмотку считывания, транзистор открывается и x = 1. Если x = 1, то в первом такте одновременно с импульсом тока в обмотку записи приходит импульс тока в обмотку гашения. Так как w_r > w_з, то кольцо сохраняет состояние минус B_r (запись “гасится”). Во втором такте перемагничивания кольца не происходит, транзистор не открывается и, следовательно, x = 0.

9.4. Элементы релейного действия на негатронах

Негатроном называется элемент, имеющий нелинейную вольтамперную характеристику с областью отрицательного сопротивления. Таким элементом является тиристор – четырехслойный полупроводниковый прибор типа p-n-p-n (рис. 9.7, а). Его вольтамперная характеристика (рис. 9.8, а) имеет три области A, B, C.

Рис. 9.7. Структурные схемы диодного и триодного тиристоров

Область A соответствует закрытому состоянию тиристора. При этом анодный ток i_a мал, так как n-p-переход J₂ смещен в обратном (непроводящем) направлении. Область B соответствует отрицательному сопротивлению. При u_a = u_вкл происходит обратимый лавинный пробой тиристора, и напряжение на нем резко уменьшается. Область C соответствует открытому состоянию тиристора. В триодном тиристоре имеется дополнительный отвод от одной из баз (рис. 9.7, б). Наличие тока базы i_б позволяет уменьшить или увеличить пробивное напряжение u_вкл (см. рис. 9.8, а) в зависимости от полярности напряжения U_б и направления тока i_б.

Построим релейную характеристику триодного тиристора. Выберем величины E_a и R_н такими, чтобы нагрузочная прямая пересекала характеристику тиристора в трех точках (рис. 9.8, б). Напряжение E_a < u_вкл. Поэтому, если i_б = 0, тиристор выключен, что соответствует точке A на нагрузочной прямой. В нагрузке протекает ток I₁, определяемый ординатой точки A. Увеличение тока i_б приводит к уменьшению u_вкл. При некотором значении i_{б вкл}, когда окажется, что E_a > u_вкл, тиристор открывается, и ток в нагрузке скачком возрастает до I₂ (рис. 9.8, в), определяемого ординатой точки B (см. рис. 9.8, б). Время включения тиристора измеряется десятками микросекунд. Дальнейшее увеличение базового тока не влияет на ток нагрузки.

При выключении базового тока тиристор остается открытым. Для его выключения подается отрицательный потенциал на базу и изменяется направление базового тока. Увеличение i_б приводит к увеличению I_выкл. При некотором значении тока i_{б выкл}, когда I_выкл > I₂, тиристор выключается, и ток в нагрузке скачком падает до I1 (см. рис. 9.8, в).

Рис. 9.8. Характеристика тиристоров

Таким образом, релейная характеристика тиристора с управлением по базе аналогична характеристике поляризованного реле. В отличие от транзисторов тиристоры являются одновременно и усилителями и элементами памяти. Они имеют более высокие рабочие напряжения (до 2000 В) и токи (сотки и тысячи ампер) и большие коэффициенты усиления i_н/i_э (до 10³). Тиристоры целесообразно использовать как выходные элементы управляющих систем для включения объектов большой мощности.

Рис. 9.9. Туннельный диод и его характеристика

Другим примером негатрона является туннельный диод (рис. 9.9, а), который аналогичен обычному полупроводниковому диоду. Отличие в том, что для изготовления используют полупроводниковые материалы с большой электропроводностью (германий, арсенид галлия), и содержание примеси в материалах примерно в 100 раз больше, чем в обычных диодах. В этих условиях при очень малой толщине p-n-перехода в нем возникает так называемый “туннельный” эффект, когда при больших напряжениях (доли вольта) ток диода сильно возрастает. Это связано с наличием туннельного механизма перехода электронов через p-n-переход, при котором электрон не затрачивает энергии на преодоление потенциального барьера.

Вольтамперная характеристика туннельного диода (рис. 9.9, б) имеет три области. Область A соответствует протеканию туннельного тока. Область B – это область отрицательного сопротивления. При увеличении напряжения u > u_max уменьшается число электронов, способных совершать туннельный переход, и ток резко убывает. При u = u_min туннельный ток исчезает. В области C возрастает обычный диффузионный ток диода.

Рис. 9.10. Реле на туннельном диоде и их характеристики

Схема реле на туннельном диоде (рис. 9.10, а) имеет два устойчивых состояния, определяемых точками A и B нагрузочной характеристики (рис. 9.10, б). Релейная характеристика показана на рис. 9.10, в. В исходном состоянии (i_вх = 0) туннельный диод открыт (точка A), и по нагрузке протекает ток I₁ (реле включено). При подаче на вход схемы импульса положительной полярности возрастает напряжение на диоде до значения u_max, и диод закрывается. Ток в нагрузке скачком уменьшается до I₂ (точка B). Реле выключается. Для включения диода на вход схемы подается импульс отрицательной полярности. Это вызывает уменьшение напряжения на диоде до u_min, и ток на нагрузке скачком увеличивается до значения I₁ (точка A).

Достоинством туннельных диодов является высокая рабочая частота (десятки мегагерц), поскольку туннельный переход электронов происходит практически мгновенно за время примерно 10^-13 с. Недостатком их с точки зрения построения схем является отсутствие входного электрода, что вызывает трудности при соединении в схемах диодов друг с другом. Поэтому часто используют транзисторно-диодные элементы. В них туннельный диод служит для запоминания информации, а транзистор – для согласования входных и выходных цепей для усиления сигналов (рис. 9.10, г).

9.5. Элементы релейного действия на оптронах

Оптроном называется прибор (рис. 9.11), в котором оптически и конструктивно связаны источник света 1, оптическая среда 2 и фотоприемник 3. Принцип действия его основан на двойном преобразовании энергии. В источнике света энергия электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фотоприемнике оптический сигнал вызывает электрический ток или напряжение.

Рис. 9.11. Структурная схема оптрона

В качестве источника света в оптронах используют обычно светоизлучающий диод на основе арсенида галлия (GaAs). Световой канал образуется через воздух или с использованием световода. Фотоприемниками являются фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. От вида фотоприемника зависит область схемотехнического применения оптрона.

Рис. 9.12. Схема оптронной интегральной микросхемы

Рис. 9.13. Схема оптронных реле

Схемы, построенные на оптронах, обладают по сравнению с электронными и электрическими схемами рядом важных преимуществ. Оптическая связь позволяет получать почти идеальную электрическую изоляцию элементов схем. Сопротивление изоляции между входом и выходом оптрона может достигать 10¹⁶ Ом, проходная емкость – 10^-4 пФ. Это дает возможность реализовать высококачественную гальваническую развязку цепей управления и нагрузки, что необходимо в безопасных схемах управления. В этом смысле оптрон можно рассматривать как аналог контакта электромагнитного реле. Оптическая связь обеспечивает однонаправленную передачу сигнала от источника к приемнику. Паразитная обратная связь с выхода на вход отсутствует, поэтому возможны независимые расчет и анализ отдельных каскадов оптронных схем.

С помощью оптронов легко связываются цепи с различными частотами, цепи постоянного и переменного тока, маломощные цепи с мощными (силовыми). Оптронные схемы обладают хорошей помехозащищенностью, так как оптические каналы не подвержены электромагнитным помехам.

Недостатки оптронов являются сравнительно невысокий КПД, обусловленный двойным преобразованием энергии, значительная потребляемая мощность и зависимость параметров от температуры.

Оптоэлектроника используется в четырех основных областях. Это цифровые и импульсные схемы (диодные и транзисторные оптроны), аналоговая техника (резисторные и диодные оптроны), схемы управления мощными цепями (мощные ключевые тиристорные и транзисторные оптроны) и схемы преобразования и отображения информации.

Например, интегральная микросхема серии К249ЛП1 (рис. 9.12) состоит из диодного оптрона ДО и интегрального усилителя (транзисторы VT1 – VT3). Оптрон образует входной каскад схемы. При протекании входного тока и возникновении излучения отрывается фотодиод. Фототок является одновременно отпирающим базовым током транзистора VT1. В результате открывается транзистор VT3 и подключается выходная цепь микросхемы. На выходе схемы оптронного реле (рис. 9.13) образуются импульсы различной полярности в зависимости от того, на какой из двух входов поступает сигнал, открывающий транзистор VT1 или VT2.

а). Основная литература

1. Сапожников В.В., Кравцов Ю.А., Сапожников Вл.В. Теоретические основы железнодорожной автоматики и телемеханики. – М.: Транспорт, 1995.

2. Сапожников В.В., Кравцов Ю.А., Сапожников Вл.В. Дискретные устройства железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. – М.: Транспорт, 1998.

3. Слюзов Ю.И., Требин В.Я., Синтез дискретных устройств железнодорожной автоматики и телемеханики: Учебное пособие. – Омск: ОмГУПС, 2001.

4. Кондратьева Л.А. Реле и трансмиттеры: Учебное иллюстрированное пособие. – М.: Учебно-методический кабинет МПС России, 2002 – 23 с.

5. Слюзов Ю.И., Сушков С.А., Михайлов В.В. Основные элементы устройствжелезнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Теоретические основы автоматики и телемеханики». – ОмГУПС, 2005 – 39 с.

б). Дополнительная литература

1. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. – М.: Радио и связь, 1988.

2. Тутевич В.И. Телемеханика. – М.: Высшая школа, 1985.

3. Воронов А.А. Теория автоматического управления. – М.: Высшая школа, 1977.

4. ГОСТ 26.005-82. Телемеханика. Термины и их определения.

5. ГОСТ Р МЭК 870-1-1-93. Устройства и системы телемеханики. Часть 1. Основные положения. (База данных «Кодекс»).

6. НТП СЦБ/МПС-99. Нормы технологического проектирования устройств автоматики и телемеханики на федеральном железнодорожном транспорте. Указание МПС России от 24.06.99 г. №А-1113. (База данных «Кодекс»).