Реле и релейные усилители

Реле - это элемент, в котором при достижении входной величиной х определенного значения выходная величина у изменяется скачком (рис. 11).

При возрастании входной величины от 0 до х < х ₁выходная величина остается неизменной, и только при х = х ₁происходит скачок и выходная величина возрастает от у ₁до у ₂. В частном случае у ₁может быть равна нулю. Дальнейшее увеличение х не влияет на значение у, и только при достижении х=х ₂происходит обратный скачок, выходная величина уменьшается до у ₁и остается неизменной при дальнейшем уменьшении х.

Рис.11.

Скачкообразное изменение у в момент х=х ₁называется срабатыванием реле, а х ₁ - величиной срабатывания (например, ток срабатывания). Скачкообразное изменение у в момент х=х ₂называется отпусканием реле, а х ₂ - величиной отпускания (ток- отпускания). Отношение х ₂ /х ₁называется коффициентом возврата реле k _в =x ₂ /х ₁, который всегда меньше единицы.

Реле предназначены для включения и выключения электрических цепей, выполнения логических операций, усиления сигналов и для других целей. Реле широко применяются в различных автоматических системах. Существует множество типов реле, но наибольшее распространение получили электромеханические реле, в которых входной величиной является ток или напряжение.

Релейную характеристику может иметь магнитный усилитель с положительной обратной связью. Такой же характеристикой обладает полупроводниковый прибор - тиристор. Электромеханические реле бывают постоянного и переменного тока. По принципу действия они подразделяются на электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические, индукционные и тепловые. Наиболее распространены электромагнитные реле.

Тиристор - это кремниевый полупроводниковый прибор, обладающий свойствами ключа, т. е. он может использоваться как устройство для включения и выключения электрических цепей.

Тиристоры выпускаются на токи от долей ампера до тысячи ампер и на напряжения от десятков до нескольких тысяч вольт. Схема прибора показана на рис. 16, а. Основой тиристора является монокристалл кремния, в котором созданы четыре зоны с чередующимися электронным и дырочным типами приводимости. Тиристор имеет три вывода:, анод А, катод К и управляющий электрод ЭУ. При включении тиристора в цепь на анод подается плюс, а на катод минус. В этом случае первый и третий р-п - переходы смещаются в прямом направлении, а второй - в обратном. Таким образом, все напряжение, приложенное к тиристору, падает на втором р - п - переходе, так как падение напряжения на переходе, смещенном в прямом направлении, не превышает 1В.

Основные свойства тиристораможно установить из рассмотрения семейства его вольт-амперных характеристик (рис. 16, б). Каждой характеристике соответствует определенное значение тока управления. Характеристики имеют особые точки. Так, точка 1 определяет максимальное напряжение на тиристоре, которое называется напряжением переключения. За точкой 1 в сторону возрастания тока характеристика имеет участок с отрицательным динамическим сопротивлением dU/dI < 0, что позволяет при определенных условиях получить скачок тока в цепи, в которой включен тиристор. Участок характеристики между точками 0— I соответствует выключенному тиристору. При подаче на управляющий электрод сигнала управления уменьшается напряжение переключения, что приводит к значительному возрастанию тока в цепи.

а

б

в

Рис. 16.

Нарастание тока в тиристоре объясняется насыщением баз п ₁ и р ₂ основными носителями, которое возникает при инжекции электронов из эмиттера п₂ в базу р ₂ под действием импульса тока управления. Этот процесс проходит лавинообразно благодаря умножению числа носителей, проходящих через коллекторный переход П₂. Время включения тиристоров составляет от 5 до 30 мкс, а выключения - от 10 до 250 мкс, в зависимости от типа и температуры тиристора. Длительность импульса тока управления должна быть больше времени включения тиристора.

Тиристоры подразделяются на одно- и двухоперационные. Первые позволяют только включить цепь подачей сигнала на электрод управления, вторые могут и выключить ее с помощью импульса тока управления. Но двухоперационные тиристоры выпускаются на сравнительно малые токи и применяются в цепях управления. Выключить цепь с однооперационным тиристором можно уменьшением приложенного напряжения с тем, чтобы ток цепи стал меньше некоторого значения, называемого током удержания и определяемого точкой 4. Если тиристор используется в цепи переменного тока, то она будет выключаться каждый период при прохождении тока через нуль.

Предположим, имеется цепь из тиристора и резистора, включенная на напряжение U < U _п1(рис. 16, в). Режим работы цепи определяется соотношением U = U _т + IR или U _т = U - IR, т. е. пересечением вольт-амперной характеристики тиристора с прямой U - IR. При отсутствии тока управления режим цепи определяется точкой 2 (рис. 16, б). Как видно из рисунка, почти все напряжение, приложенное к цепи, падает на тиристоре, и ток цепи очень мал. Это состояниесоответствует выключенной цепи. Предположим, что на электрод управления подается импульс тока с амплитудой, большей I _у2. При этом напряжение переключения уменьшается, и происходит скачок тока цепи до значения, определяемого точкой 3, которая характеризует включенное состояние цепи. Падение напряжения на тиристоре при этом не превосходит 2. В, так что почти все напряжение, приложенное к цепи, оказывается на нагрузке.

Поскольку тиристор пропускает ток в одном направлении, то для включения цепей переменного тока используется ключ, состоящий из двух тиристоров, включенных параллельно-встречно или симметричный тиристор (симистор) (рис. 17, а, б).

Симистор представляет собой пятислойный прибор с четырьмя р-п - переходами. Эта структура фактически содержит две четырехслойные структуры, включенные параллельно, но ориентированные в противоположные стороны.

Вольт-амперная характеристика такого прибора показана на рис. 17, в.

Рис.17.

Тиристор можно характеризовать коэффициентом усиления k = I / I _ун, который может достигать значения 10⁶.

В настоящее время тиристоры и симисторы широко используются в электроприводах различного назначения, в регулируемых выпрямителях, регуляторах напряжения и для других целей.