Бесконтактные аппараты управления1 Исполнитель

Бесконтактные аппараты управления.

                                               План:

1. Промышленные серии магнитных усилителей с самонасыщением.
2. Бесконтактные магнитные реле  (БМР) на базе  МУС.
3. Принцип действия и основные соотношения полупроводниковых реле.
4. Влияние параметров схемы на характеристики полупроводниковых реле.

 {spoiler=Подробнее}

1. Промышленные серии магнитных усилителей с самонасыщением.

а) Характеристика управления в относительных единицах, единственная для каждой серии усилителей, имеющих определенную схему включения (рис. 1.), позволяет найти характеристику управления в абсолютных единицах для каждого конкретного усилителя данной серии. Рассмотрим характеристику рис. 1 более подробно.

  За базисный ток I_к принят ток нагрузки, ограниченный сопротивлением рабочих обмоток, номинальным

.

Рис.1.Типовые характеристики МУС.в относительных единицах при различных коэффициентах

           регулирования.

Рис.2. Схемы включения однофазных МУС.

а — нагрузка  на переменном токе; б — нагрузка  на постоянном токе с пита­нием нагрузки через выпрямительный мост; в —нагрузка на постоянном токе.

сопротивлением нагрузки и сопротивлением вентилей в прямом направлении.

Для схемы с нагрузкой на постоянном   токе (рис.2,6 и в)

                                                               (1)

где     U_c — напряжение сети, В;

2U_B—падение напряжения в вентилях, В;

ZR. — сопротивление цепи рабочих обмоток, равное Re-t-гр, Ом.

354

Для схемы с нагрузкой на переменном токе (рис.2,а)

                                                                    (2)

По оси ординат   откладывается   относительный   ток нагрузки

                                                                                  (3)

По горизонтальной оси отложен ток управления в от­носительных единицах

                                                                              (4)

Рис. З. Трехфазные схемы включения МУС.

а— схема с вынесенным мостом; б —схема с нагрузочными обмотками, вклю­ченными   в   плечи  

 выпрямительного  моста.

где I_упр — ток обмотки управления, приведенный к рабо­чей обмотке,

                                                                       (5)

Коэффициент      определяется   схемой   МУС.    Для схем рис.2 =2, для трехфазных схем рис.3  =3.

Для работы выбирается линейный участок МΝ ,ха­рактеристики рис.1. Максимальный ток нагрузки I'_N обычно берется равным 0,85.   Минимальный ток . Ток   холостого   хода   .За   номи­нальный ток управления I'_yMN  принимается ток, необходимый  для   перевода  усилителя   из точки   М в точку N. Очень важной характеристикой усилителя является  кратность  регулирования  k_p, равная от­ношению тока насыщения I_к к току холостого хода I_х._х:

                                                              (6)

При данном напряжении питания и материале сер­дечника коэффициент k_p  зависит от сопротивления на­грузки R_H: чем больше R_H, тем меньше I_к и k_p.

Если изменяется напряжение питания, то k_p изменяет­ся как за счет тока 1_К, так и за счет тока I_х._х.

Коэффициент кратности тока характеризует отноше­ние номинального тока в нагрузке к минимальному

                                                                (7)

Коэффициент усиления мощности

                                                               (8)

.

Реверсивные (двухтактные) МУС могут быть собра­ны из однотактных по схемам рис.4.

Рис. 4. Реверсивные  схемы  включения    однофазных   магнитных

усилителей.

               2. Бесконтактные магнитные реле (БМР) на базе МУС

Для получения релейного режима в схему МУС необходимо дополнительно намотать обмотку обратной связи . На рис.5 дана схема, в которой ток обратной связи  пропорционален на­пряжению на нагрузке U_H. Результирующая м. д. с. управления складывается из м.д.с. обмотки управления  и м.д.с, созда­ваемой обмоткой" обратной связи .

                                                             Рис. 5. Схема МУС с обратной   связью по на­шить по напряжению   на   нагрузке.

Если в МУС добавить обмотку смещения, то в зависимости от м. д. с. этой обмотки могут быть получены реле с различными вида­ми «контактов». При отрицательном смещении  БМР име­ет «замыкающий контакт» (рис.6, а).

 При отсутствии обмотки смещения МУС ведет себя как реле с размыкающим контактом (рис.6,6).

Рис. 6. Характеристики бесконтактных магнитных реле.

Если создать отрицательное смещение , меньшее, чем , то получим характеристику «вход — выход», изображен­ную на рис.6, б. В этом случае реле может находиться в двух устойчивых состояниях. Если вначале БМР находилось в состоянии, соответствующем точке 1, и подан положительный сигнал +I_y1 то после снятия сигнала  напряжение на  нагрузке останется   равным U_H1. При подаче отрицательного сигнала —I_у2 напряжение упадет до напряжения U_B2. После снятия сигнала  напряжение останет­ся равным U_H2 (БМР работает аналогично поляризованному реле). Применяя БМР на реверсивных усилителях, можно получить реле с переменой знака напряжения на нагрузке (рис.6, в).

Большим достоинством БМР является отсутствие размыкаю­щих контактов, которые часто являются причиной отказа в работе схем автоматики. Минимальная мощность срабатывания БМР мо­жет достигать 10~¹⁰ Вт. Отсутствие контактов и подвижных частей у БМР делает реле исключительно износостойкими и вибро- и уда­ростойкими. Реле могут работать во взрывоопасных средах.

Замедление времени срабатывания, обусловленное электромагнитным процессом в обмот­ке управления, является большим недостатком бесконтактных реле.

Работа БМР зависит от напряжения питания, частоты, темпе­ратуры окружающей среды и требует применения специальной ста­билизации.

Недостатком БМР является также отсутствие разрыва цепи в положении, соответствующем размыканию контактов.

Реле с большим числом управляемых (выходных) цепей полу­чается сложным и громоздким.

Коэффициент полезного действия рабочей цепи у БМР значи­тельно ниже, чем у контактных реле.

При большой выходной мощности масса и габариты бесконтакт­ных аппаратов значительно превышают массу и габариты кон­тактных.

Как правило, исполнительные звенья, управляющие большими токами и мощностями, делаются на контактной аппаратуре или полупроводниковых элементах, а входные элементы выполняются на магнитных усилителях.

3. Принцип действия и основные соотношения полупроводниковых реле

а) Общие сведения. Транзисторы имеют ряд ценных качеств, которых нет у электромеханических элементов, электронных ламп и тиратронов. Они обладают малой массой, быстродействием, малыми размерами, высокой надежностью. Эти приборы вибро- и ударостойки. От­сутствие нагреваемого катода снижает потребляемую прибором  мощность.                 

Полупроводниковые триоды для своей работы требу­ют низких напряжений и способны работать несколько десятков тысяч часов.

Аппараты с полупроводниковыми приборами имеют высокую чувствительность и высокий к. п, д. цепи нагруз­ки. Отсутствие размыкающихся контактов также является большим преимуществом аппаратов на полупроводни­ковых приборах.

Недостатками транзисторов являются: отсутствие полного разрыва цепи в состоянии отсечки, гальваничес­кая связь цепи управления (базы) и нагрузки, зависи­мость параметров приборов от температуры. Кроме того, выпускаемые транзисторы имеют довольно большой разброс параметров.

Рис 7. Каскад усилителя на транзисторе.

Однако путем правильного выбора per жимов работы, учитывающего широкий диапазон колеба­ния температуры, удается создать надежно работающие электрические аппараты на полупроводниковых прибо­рах. Эти аппараты могут являться бесконтактными реле, логическими элементами. Последние широко использу­ются в схемах автоматики и счетной техники.

б) Однокаскадный полупроводниковый усилитель на транзисторе проводимостью р-п-р. Схема усилителя с об­щим эмиттером изображена на рис. 7, а. Указанные на рисунке направления токов, напряжений и э. д. с. при­няты за  положительные.

Транзистор имеет три .электрода: эмиттер Э, коллек­тор К и базу Б. Ток эмиттера равен сумме токов коллек­тора и базы .

Транзистор является управляемым активным сопро­тивлением. В зависимости от тока, протекающего через базу, изменяется сопротивление между эмиттером и кол­лектором. В результате изменяется и ток, протекающий через  нагрузку R_H.

Характеристика усилителя представлена на рис.7,6. При отрицательном токе управления  -I_у._о через нагрузку протекает минимальный ток I_K:O, причем |I_к._o| =.

Этот режим усилителя называется  отсечкой и обозначается буквой О.

При токе в базе  наступает насыщение тран­зистора. В этом режиме сопротивление между эмиттером и коллектором мало и ток в цепи определяется сопротив­лением нагрузки R_H. Такой режим называется режимом насыщения и обозначается буквой Н. Ток управления, который необходим для перевода из состояния О в состо­яние   Н, называется током    переключения  I_у._п.

На рис. 7, в изображена зависимость тока в на­грузке от э. д. с. сигнала управления.

Вследствие нелинейности сопротивления перехода эмиттер — база зависимость тока в нагрузке  от управ­ляющего напряжения е_у имеет нелинейный характер. От­рицательное, значение сигнала—Е_у.о называется напря­жением отсечки, а положительное напряжение E_у.н — на­сыщения. Для того чтобы перевести транзистор из заперто­го состояния в открытое, необходимо к э. д. с.— Е_у.о до­бавить положительную э. д. с. переключения Е_у.п .

Надежная работа транзистора, стабильность его ха­рактеристик в значительной степени зависят от его тем­пературы. Эта температура определяется температурой окружающей среды и мощностью, выделяющейся в тран­зисторе при прохождении по нему тока. Для того чтобы удержать температуру транзистора в допустимых преде­лах при данной наибольшей температуре окружающей среды, мощность, выделяющаяся в транзисторе, должна  быть меньше мощности, рассеиваемой транзистором.

в) Двухкаскадный усилитель. Для получения релей­ного режима необходимо, чтобы число каскадов было не менее двух.

Рис.8. Двухкаскадный транзисторный усилитель.

Некоторые из возможных вариан­тов схем двухкаскадного усилителя приведены на   рис.8.

В схеме рис.8, а база транзистора Т₂ непосредст­венно связана с коллектором транзистора Т₁. Если тран­зистор Т₁ находится в состоянии О, то к базе транзистора Т₂ приложено практически полное напряжение источни­ка питания —Е_к. Под действием этого напряжения тран­зистор Т₂ полностью насыщен (находится в состоянии Н) и через нагрузку течет ток .

Для полной отсечки транзистора Т₂ необходимо ввес­ти запирающее напряжение U₃ (рис. 8,6), которое создает необходимый отрицательный ток базы —I_у._o .

Схема рис. 8,6 обладает тем недостатком, что транзистор Т₂ требует отдельного запирающего источ­ника.

Более удобна схема рис.8, в. Здесь необходимое запирающее напряжение получается от общего для мно­гих транзисторов напряжения Е_б. Ток от источника +Е_б, протекая по резисторам R₂ и R₃, создает на них падения напряжения. Напряжение на R₃  является запирающим для транзистора Т₂.                                                              .

{/spoilers}