Материал: Конспект лекций по курсу Электрические и электронные аппараты. Гуляев А.А., Королев Н.И

уменьшается в другой (т.к. поле обмотки управления в одном случае совпадает с полем обмотки смещения, а в другом противоположно). В соответствии с этим индуктивность одной пары падает, а другой возрастает. Падение

1800 . Трансформаторный МУ дает возможность не применять

дифференциальный трансформатор для питания, путем изменения получить любое напряжение на нагрузку и согласовать выходное сопротивление МУ с входным сопротивлением нагрузки.

Широко применяется мостовая схема соединения обмоток реверсивного МУ (рисунок 21.18), которая также позволяет избавиться от дифференциального трансформатора. Сравнительный анализ приведенных схем показывает, что наиболее простой и имеющей наименьшие потери (т.к. нет второй пары обмоток) является – мостовая, однако она применяется для

получения выходного напряжения 0,6-0,7 от Uн. Трансформаторную схему

целесообразно применять для получения выходного напряжения .Но

все-таки наибольшее распространение получила схема с дифференциальным трансформатором, т.к. в ней упрощен ввод обратной связи. Кстати, если реверсивный МУ работает на устройство, имеющее две одинаковые обмотки, то применение трансформатора не обязательно, а указанные обмотки просто включаются на выходы соответствующих МУ1 и МУ2.

В заключение рассмотрим способ введения обратной связи на примере схемы дифференциального МУ с внутренней обратной связью (рисунок 21.19).

Необходимо отметить, что введение смещения в МУ служит не только для обеспечения Iхх=0 и выбора оптимальных токов в МУ1 и МУ2, но и определяет класс магнитного усилителя. На рисунке 21.20 приведены характеристики МУ двух классов – А и В.

Как известно, класс А обеспечивает минимальные нелинейные искажения (рисунок 21.21а), а класс В дает наилучшие энергетические показатели (рисунок 21.21б), минимальные токи холостого хода.

117

22 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ АППАРАТЫ

Полупроводниковые реле

Реле выполняются в основном на транзисторах. Транзисторы обладают малой массой, размерами, быстродействием, высокой надежностью, вибро- и ударостойкостью, не имеют размыкаемых контактов, обладают высоким КПД цепи нагрузки. И хотя они имеют ряд недостатков (отсутствие полного разрыва цепи нагрузки, гальваническая связь цепей управления и нагрузки, значительный разброс параметров) аппараты на их основе широко применяются в схемах автоматики и счетной техники.

Рассмотрим особенности работы транзистора как управляемого активного сопротивления на примере однокаскадного усилителя (рисунок

22.1а).

При отрицательном Iу,0 через нагрузку протекает минимальный ток Iк,0. Этот режим усилителя называется отсечкой. При Iб,н наступает режим насыщения транзистора. В этом режиме сопротивление участка ЭК мало и ток цепи определяется величиной нагрузки Rн. Ток переключения (Iуп) - ток управления, необходимый для перевода из состояния отсечки в состояние насыщения. В релейных аппаратах и логических элементах транзистор находится либо в состоянии насыщения, либо в состоянии отсечки, а переход из одного состояния в другое очень быстрый, т.к. в состоянии отсечки ток через транзистор очень мал, а в состоянии насыщения очень мало падение напряжения на переходе ЭК, то такой режим (ключевой) позволяет лучше использовать транзистор по мощности. Допустимая мощность, снимаемая с нагрузки в этом режиме, в десятки раз больше допустимой нагрузки того же транзистора в режиме непрерывного управления.

В случае активно-индуктивной нагрузки усилителя переход из состояния отсечки в состояние насыщения сопровождается возникновением большой ЭДС Ldi/dt, которая может быть такой большой величины, что может произойти пробой транзистора. Для устранения такого явления производят обратное диодное шунтирование цепи нагрузки, однако, при этом резко снижается скорость спада тока в нагрузке, а, следовательно, быстродействие усилителя в целом.

Как видно из нагрузочной характеристики усилителя, он не дает возможности получить релейную петлю в чистом виде. Получение такой характеристики возможно только в двухкаскадных усилителях.

В этих усилителях можно использовать непосредственную связь транзисторов Т1 и Т2 (рисунок 22.2а). При этом, если Т1 будет находиться в

состоянии отсечки, то Т2 будет находиться в состоянии насыщения и наоборот. Для получения состояния полной отсечки Т2 (Iу2=0) введено дополнительное запирающее напряжение Uз, которое создает необходимый запирающий ток Iу2. Схема обладает тем недостатком, что при питании нескольких таких

118

блоков требуются отдельные источники Uз1,2,3. Более удобной является схема, использующая общий источник для питания нескольких транзисторов (рисунок

22.2б). Ток от источника смещения +Еб, протекая по цепочке R2, R3 создает запирающее для Т2 падение напряжения на резисторе R3. Источник +Еб можно использовать для питания цепей смещения нескольких каскадов. Однако, если транзистор Т1 находится в состоянии отсечки, то ток, протекающий через базу

Т2, уменьшается по сравнению со схемой на рисунке 22.2а, из-за наличия R3,

что приводит к уменьшению коэффициента усиления каскада в отношении R1/(R1+R3). Этот недостаток устраняется при использовании в делителе

стабилитрона D. При полном насыщении Т1, ток от Еб проходит через D и T1 и создает на D падение напряжения, достаточное для закрытия транзистора Т2. Если транзистор Т1 находится в состоянии отсечки, то через D проходит ток, открывающий Т2, при этом из-за снижения сопротивления диода при большом токе падение напряжения на нем остается набольшим. Рассмотренные схемы поясняют работу двухкаскадного усилителя, но, также как и однокаскадный усилитель, не дают возможности получить чисто релейный режим (релейной петли). Однако, особенностью усилителя (рисунок 22.2а) является то, что приращение потенциала базы Т1 вызывает одинаковое по знаку и усиленное по величине приращение потенциала на коллекторе Т2. Это позволяет получить положительную ОС внутри каскада путем соединения этих точек резистором ОС Rос. Мы же знаем (как в МУ), что в режиме положительной ОС резко возрастают коэффициенты усиления по току усилителя и в некоторых случаях возможно достижение релейного режима усилителя. Для получения надежного

rэб1 - сопротивление между эмиттером и базой транзистора Т1;

=Rк1/(Rк1+R1).

Если rэб1/Rу (источник сигнала имеет малое сопротивление), то Rос.кр стремится к нулю, т.е. неравенство (22.1) осуществить нельзя. Для получения релейного режима в данной схеме источник сигнала должен иметь большое внутреннее сопротивление (Rу>> rэб1), т.е. реле должно управляться источником тока. Условие релейного режима принимает вид:

Схема двухкаскадного усилителя и его нагрузочная характеристика приведены на рисунке 22.3. По аналогии с электромеханическими

контактными реле ток iу1 называется током отпускания, а iу - током срабатывания. Ширина релейной петли I равна:

Влияние параметров схемы на характеристики реле заключается в том,

что:

1)увеличение сопротивления ОС Rос ведет к сужению релейной петли, уменьшает ток ОС и может привести к режиму самоблокировки реле;

2)уменьшение Rу приводит к уменьшению ЭДС срабатывания, отпускания и переключения, ширина релейной петли уменьшается и

при Rу=Rу.кр релейный режим исчезает

4)при увеличении сопротивления катушки - Rн напряжение срабатывания не меняется, а напряжение отпускания возрастает по модулю;

5)большое влияние на характеристики оказывает разброс параметров транзисторов и температурный сдвиг входных характеристик.

Для работы реле от входного источника с низким выходным сопротивлением применяют схему полупроводникового реле с положительной обратной связью в эмиттере (рисунок 22.4). Однако, схема по сравнению с ранее рассмотренной имеет уменьшенную выходную мощность.

Комбинированная схема коллекторно-эмиттерной обратной связи

(рисунок 22.4) обеспечивает некритичность релейного режима к величине Rу.

Большое применение находят электронные реле времени на транзисторах, упрощенная схема которого приведена на рисунке 22.5.

При отсутствии входного сигнала на 1,2,3 транзистор Т2 насыщен, т.к. к его базе приложен потенциал – Uп через резистор R7. Поскольку Т1 закрыт, то потенциал Uп приложен к базе Т3 через R5,R13,R14. Т3 насыщен и на выходе схемы сигнала нет. Конденсатор С1 заряжается до напряжения Uп (т.к. R5<<R13+R14) с указанной на рисунке 22.5 полярностью.

При подаче сигнала на вход Т1 насыщается, через него происходит перезарядка С1 на обратную полярность. При этом после открытия Т1 на базу Т2 подается в начале положительный потенциал, спадающий по закону разряда конденсатора

t

где Tp=C1R7 и транзистор Т2 - закрыт, в этот момент Т3 открыт за счет iб3 через R8,9. Через время t=0,7Tр потенциал базы Т2 практически падает до

120

нуля, Т2 – открывается, Т3 – закрывается напряжением смещения +Uсм. На выходе появится сигнал, который будет держаться до тех пор, пока есть сигнал на выходах 1,2,3. Поле снятия входного напряжения Т1 закрывается, а Т3 открывается через R13,14. Выходной сигнал пропадает. Конденсатор С1 заряжается через R5. Т.к. R5<<R7, то время заряда конденсатора значительно меньше времени выдержки реле. Для правильной работы реле повторный импульс на вход реле подавать на ранее чем через (3-4)R5C1=(3-4)T3. Выдержка времени регулируется R7 в пределах от 1 до 100 C.

В последнее время все большее применение находят тиристорные полупроводниковые реле, основой которых является управляемый полупроводниковый вентиль – тиристор. На рисунке 22.6 приведена типичная вольт-амперная характеристика тиристора, его условное обозначение. При

отсутствии сигнала управления (Iу=0) и U<Uт max тиристор имеет большое сопротивление и через нагрузку течет ток, определяемый ее сопротивлением. При номинальном токе управления характеристика вырождается в диодную. Таким образом, в зависимости от Iу тиристор меняет свое сопротивление от

очень малого (при Iу=Iун) до очень большого (при Iу=0, U<Uт max). После прохождения переменного тока через ноль тиристор разрывает цепь тока, если

нет Iу=Iун.

Эти свойства тиристора используются в тиристорном полупроводниковом реле (рисунок 22.7). Схема состоит из двух тиристоров, аноды которых связаны через конденсатор С.

Сопротивление нагрузки Rн включено в анодную цепь первого тиристора, а в анодную цепь второго тиристора включено балластное сопротивление Rн. При подаче отпирающего сигнала Uу1 , на управляющий электрод Т1 последний открывается и в нагрузке появляется ток. Снятие управляющего сигнала и даже подача отрицательного напряжения на управляющий электрод на приводят к выключению Т1, т. к. включенный тиристор теряет управляемость. Для его выключения служит второй тиристор Т2. При подаче на Т2 отпирающего сигнала Uу2 он включается, а конденсатор С, зарядившийся во время проводимости тиристора Т1 до напряжения источника (полярность на рисунке 22.7), разряжается через Т1 . Ток разряда имеет направление противоположное направлению анодного тока Т1 , а значение его практически ничем не ограничено при условии, конечно, что проводимость разрядного контура не изменяется. Поэтому при достижении током разряда конденсатора значения анодного тока приводящего тиристора Т1 последний выключается (т.к. результирующий ток через него равен нулю, а обратный ток невозможен из-за вентильных устройств тиристора).

Простейший релейный элемент на тиристоре изображен на рисунке

22.8

Нагрузка Rн питается от источника переменного тока. Напряжение питания выбрано так, что U<Umax. Цепь управления питается от того же источника.