Полупроводниковые и ферромагнитные элементы

В релейной защите, автоматике и телемеханике применяют из­вестные в электротехнике типовые полупроводниковые и ферромаг­нитные элементы. Ниже рассмотрены основные из них.

Элементы логических операций. Комбинационные логические элементы производят операции И, ИЛИ, НЕ над дискретными сиг­налами: логической единицей (1) и нулем (0). На рис. 3.5, а пока­зана схема диодного элемента, реализующего логическую опера­цию ИЛИ (рис. 3.5,6) для единиц в виде положительных напря­жений U₁ - U_n (сигналов X₁ - Х_п) и логическую операцию И (рис. 3.5, б) для единиц в виде отрицательных напряжений (-U₁) - (-U_n) (сигналов X₁ - X_n).

Для получения положительного напряжения U_вых (сигнала Y) на выходе достаточно на один из входов подать положительное напряжение, например U₂ (сигнал Х₂). При этом открывается со­ответствующий диод и на резисторе R_n появляется напряжение U_вых, практически равное напряжению U₂. Для получения на выхо­де отрицательного сигнала - U_вых, обусловленного - E _к, необхо­димо, чтобы при подаче сигналов на вход все диоды закрылись. Это возможно лишь при наличии отрицательных напряжений (-U₁) - (-U_n) - на всех входах.

Логическая операция НЕ (инверсия) реализуется транзистор­ным инвертором (рис. 3.6). Если сигнал на входе отсутствует U_вх = 0 (сигнал Х = 0), то за счет положительного смещения (потенциал базы E_см) транзистор закрыт, на выходе схемы - отрица­тельный потенциал – напряжение - U_вых ~ - Ек (сигнал Y = 1). При появлении сигнала Х = 1 на входе (напряжение U_вх > 0) транзистор открывается и напряжение на выходе исчезает (сигнал Y = 0). Рассмотренные логические операции выполняются и на ос­нове магнитных элементов [З].

Логический элемент времени, выполняемый на основе полупро­водниковых приборов, обычно использует для создания выдержки времени заряд или разряд конденсатора. Принципиальная схема выполнения такого элемента показана на рис. 3.7. При отсутствии сигнала на входе через эмиттерный переход транзистора VT про­ходит прямой ток, поэтому транзистор открыт и конденсатор С закорочен. При этом к диоду VD приложено обратное напряжение и он закрыт. Сигнал на выходе отсутствует.

Устройство действует, если на входе появляется положительное напряжение Е_вх. При этом транзистор закрывается и конденсатор начинает заряжаться. С течением времени потенциал точки а ста­новится ниже потенциала точки б и диод VD открывается, замыкая цепь выхода. На выходе появляется сигнал в виде тока I_вых или напряжения U_вых на нагрузке R_s. Время от момента подачи сигна­ла на вход устройства до момента возникновения сигнала на выхо­де и является выдержкой времени.

Релейные и автогенераторные элементы. Симметричный триг­гер (рис. 3.8) состоит из двух транзисторов VT1 и VT2, включен­ных по схеме с общим эмиттером. Резистор R2 (R'2) связывает кол­лектор одного транзистора с базой другого, образуя положитель­ную обратную связь. Схема триггера симметрична и имеет два устойчивых состояния. Одно из них можно принять за 1, а другое - за 0. В одном из них транзистор VT1 открыт, а VT2 закрыт; в дру­гом, наоборот, закрыт VT1 и открыт VT2. В каждом из состояний схема может находиться очень долго.

Действительно, если в силу каких-либо причин открыт транзистор VT1, то его сопротивление мало, а коллектор и связанная с ним база транзистора VT2 практически имеют потенциал эмиттера. При равенстве потенциалов эмиттера и базы VT2 находится практически в закрытом состоянии, на выходе - отрицатель­ное напряжение - U_вых» - Ек. В это время открытое состояние VT1 обеспечи­вается тем, что его база через обратную связь приобретает потенциал более низ­кий, чем потенциал эмиттера. Для того чтобы перевести триггер в другое устойчивое состояние, необходимо подать напряжение U_вх (сигнал) положительной полярности на базу транзистора VT1 (или напряжение отрицательной полярно­сти на базу триода VT2). Для ускорения перехода триггера из одного состояния в другое параллельно резисторам R2 и R'2 включают конденсаторы (на рисунке не показаны).

Разновидностью симметричного триггера является триггерсосчетным входом. Триггеры применяют в качестве элементов памя­ти, формирователей импульсов, делителей частоты, счетных ячеек, двухпозиционных промежуточных реле.

Двухкаскадный усилитель в релейном режиме (рис. 3.9) отли­чается от триггера тем, что при отсутствии сигнала на входе тран­зистор VT1 открыт, так как потенциал его базы относительно эмиттера отрицателен благодаря цепи с резистором R3, а транзи­стор VT2 закрыт.

Усилитель приходит в действие при подаче на его вход положи­тельного напряжения U_вх (сигнала), которое должно быть доста­точным для закрытия транзистора VT1. При этом транзистор VT2 открывается. В таком состоянии схема находится до тех пор, пока входной сигнал не будет снят или входное напряжение уменьшится до некоторого значения. Ток в коллекторной цепи транзистора VT2 изменяется скачкообразно от минимального до максимального зна­чений благодаря положительной обратной связи, обеспечивающей релейное действие усилителя аналогично электромеханическому реле. В устройствах релейной защиты и автоматики усилитель ис­пользуется в качестве нуль-индикатора схем сравнения [З].

Одновибратор (рис. 3.10) отличается от симметричного тригге­ра тем, что один из резисторов R2 обратной связи заменен конден­сатором С и между базой и эмиттером транзистора VT2 включен резистор R3. Такая схема имеет одно устойчивое состояние, при котором VT1 открыт, а VT2 закрыт. Открытое состояние VT1 под­держивается за счет того, что его база, как и в схеме триггера, име­ет более низкий, чем у эмиттера, потенциал. При этом конденса­тор С закорочен малым сопротивлением открытого транзистора VT1 и находится в разряженном состоянии. Транзистор VT2 оказы­вается закрытым, так как его база, связанная с эмиттером рези­стором R8, имеет потенциал эмиттера.

Переход в новое неустойчивое состояние происходит, если подать на базу VT1 кратковременный положительный сигнал u_вх, закрывающий его. Конденса­тор С начинает заряжаться. Открывается транзистор VT2, так как за счет за­рядного тока конденсатора, проходящего через резистор R3, потенциал базы транзистора VT2 более низкий, чем потенциал его эмиттера. Это состояние не является устойчивым. По мере заряда конденсатора потенциал базы VT2 воз­растает, достигая после заряда конденсатора нулевого значения, при котором VT2 закрывается. При этом открывается транзистор VT1 и схема возвращается в ис­ходное устойчивое состояние. Одновибратор можно использовать в качестве рас­ширителя импульсов.

Мультивибратор можно использовать, например, в телемехани­ке в качестве генератора прямоугольных импульсов. В отличие от симметричного триггера в схеме мультивибратора вместо резисторов R2 и R'2 (см. рис. 3.8) включены конденсаторы С1 и С2 (рис. 3.11). Поэтому обратная связь между транзисторами VT1 и VT2 появля­ется только при заряде или разряде конденсаторов. Мультивибра­тор, как и триггер, имеет два устойчивых состояния, но переход из одного состояния в другое происходит без внешнего воздействия.

В зависимости от состояния транзисторов в процессе перезаряда конденса­торов потенциалы точек К1 и К2 изменяются от нуля (соответствующий тран­зистор открыт) до – Е_к (соответствующий транзистор закрыт), а потенциалы точек Б1 и Б2 - соответственно от +Е_к до нуля. В действительности при за­крытом, например, транзисторе VT1 потенциал точки К.1 равен - E_s, а потенциал точки Б2 - нулю. Если VT1 открывается, то потенциал точки К1 становится равным нулю, т. е. получается приращение на +Е_н. Напряжение на конденса­торе С1 мгновенно измениться не может, поэтому потенциал точки Б2 получает такое же приращение и становится равным - Е_к. Мультивибратор действует следующим образом.

Если открывается транзистор VT1, то точки К1 и Б1 принимают нулевые потенциалы; потенциал точки Б2 изменяется от +Е_к до нуля (конденсатор С1 разряжается), а потенциал К2 изменяется от нуля до - Е_к (конденсатор С2 за­ряжается). Когда потенциал Б2 снизится до нуля, транзистор VT2 открывается и поэтому потенциал точки К2 становится равным нулю, а точки Б1 - равным - Е_к (конденсатор С2 разряжается), транзистор VT1 закрывается. При этом по­тенциал точки К1 изменяется от нуля до - Е_к (конденсатор С1 заряжается). Когда потенциал точки Б1 снизится до нуля, транзистор VT1 открывается. Та­ким образом, транзисторы VT1 и VT2 попеременно открываются и закрываются, создавая на выходе мультивибратора импульсных, близкие к прямоугольным.

При равенстве R и С в цепях транзисторов продолжительности импульса t_и и паузы t_п равны между собой. Изменяя R и С, можно изменять отношение t_{и /}t_п.

Мультивибратор с трансформаторным входом, состоящий из двух транзисторов и трансформатора на ферритовом сердечнике (рис. 3.12, а), работает следующим образом. После подключения напряжения питания U_n вследствие неидентичности транзисторов в коллекторной цепи одного из них VT1 (через соответствующую коллекторную обмотку w_к начинает проходить ток i_к1 когда вто­рой транзистор VT2 еще закрыт. При этом сердечник перемагничивается и в базовых обмотках w_б индуцируются ЭДС. Полярность включения обмоток w_б такова, что одна из этих ЭДС способствует дальнейшему возрастанию коллекторного тока первого транзисто­ра, а другая - закрыванию второго транзистора. Когда рост маг­нитного потока замедляется из-за насыщения сердечника, индуци­рованные ЭДС уменьшаются. Вследствие этого коллекторный ток открытого транзистора снижается и происходит процесс спадания магнитного потока, при котором ЭДС обмоток ω_e изменяют свое направление, открывая ранее закрытый транзистор VT2 и закры­вая открытый транзистор VT1. Сердечник перемагничивается в противоположном направлении. При его насыщении ЭДС обмоток w_б уменьшаются, а затем изменяют направление, т. е. описанный процесс повторяется. Он иллюстрируется графиками, показанными на рис. 3.12,6.

Выходное напряжение U_вых имеет форму прямоугольных импуль­сов с частотой, пропорциональной напряжению U_n и обратно про­порциональной числу витков коллекторных обмоток w_к, магнитной индукции насыщения и сечению сердечника. Длительность импуль­сов равна длительности пауз t_a между ними, если параметры од­ноименных элементов схемы одинаковы. Для изменения отношения t_{и /}t_п достаточно изменить сопротивление одного из резисторов R. Частота импульсов может изменяться непрерывно путем изменения Ua и дискретно переключением числа витков w_к или дискретным изменением сопротивлений резисторов R.

Блокинг-генератор в устройствах релейной защиты и автомати­ки применяется для получения кратковременных импульсов. Он может работать как в режиме постороннего запуска (ждущий ре­жим), так и в режиме автоколебаний. Упрощенная схема блокинг-генератора, работающего в режиме автоколебаний, показана на рис. 3.13. В коллекторную цепь транзистора включена первичнаяобмотка трансформатора TL. Через одну из его вторичных обмоток осуществлена положительная обратная связь между коллекторной и базовой цепями. Другая вторичная обмотка трансформатора яв­ляется выходом генератора.

 Работу схемы в режиме автоколебаний упрощенно можно объяснить следую­щим образом. Благодаря обратной связи транзистор попеременно то открыва­ется, то закрывается. В процессе его открывания напряжением обратной свя­зи U_o,c конденсатор С заряжается и на выходе генератора (резистор R_н) появ­ляется импульсное напряжение U_вых (сигнал). Когда транзистор закрыт, сигнала нет и происходит разряд конденсатора через вторичную обмотку трансформа­тора и резистор R. По мере разряда положительное напряжение на базе убы­вает и в тот момент, когда оно становится примерно равным нулю, транзистор начинает открываться. Изменяющийся ток коллекторной цепи обусловливает по­явление ЭДС во вторичных обмотках трансформатора TL. Конденсатор начина­ет заряжаться, транзистор открывается, а на выходе появляется импульсный сигнал. После окончания процесса открывания транзистора ЭДС в обмотках трансформатора исчезают и заряженный конденсатор закрывает транзистор. Кон­денсатор начинает разряжаться, и процесс повторяется.

Для обеспечения работы в ждущем режиме в цепь эмиттер - ба­за транзистора вводится источник положительного смещения. При этом блокинг-генератор запускается отрицательным напряжением (сигналом), подводимым к базе транзистора. Ждущий режим мож­но создать и воздействием на цепь эмиттера.

Магнитодиодная ячейка. Единичные ферромагнитные элементы, состоящие из одного сердечника, в схемах соединяются в ячейки. При этом для передачи сигнала 1 или 0 от одного сердечника к другому выходная обмотка предыдущего сердечника подключается к обмотке записи последующего сердечника. При таком соединении возможно появление ложной обратной информации, так как при изменении магнитного состояния сердечника наводятся ЭДС во всех его обмотках. Действительно, при подаче в обмотку записи w_зап1 сердечника 1 (рис. 3.14) положительного (намагничивающего) импульса тока, входящего в обозначенное точкой начало обмотки ω_ani и перемагничивающего сердечник из состояния 0 в состояние 1, в его выходной обмотке ω_вых наводится ЭДС. Если обмотка замкнута, то возникает ток, выходящий из ее начала и стремящий­ся вернуть сердечник в состояние 0, и запись не получается. Для предотвращения указанного возникновения тока в цепь выходной обмотки сердечника 1 включают диод VD1. Той же цели служат диоды VD2 и VD3 в цепях выходных обмоток последующих сердеч­ников.

Для передачи информации от сердечника 1 к сердечнику 2 в об­мотку w_сч1 сердечника 1 подается отрицательный (размагничиваю­щий) импульс тока, входящего в конец обмотки. При перемагничивании сердечника в его обмотке ω_вых1 наводится ЭДС, противо­положная указанной выше полярности, и диод VD1 открывается. Проходящий в цепи обмотки w_зп2 сердечника 2 ток переводит сер­дечник 2 в состояние 1 (записывает единицу). Если теперь подать размагничивающий импульс тока в обмотку w_сч2 сердечника 2, то записанная единица передается сердечнику 3. Однако в процессе перемагничивания сердечника 2 возникает также ЭДС в его обмот­ке w_зп2. Для этой ЭДС диод VD1 оказывается открытым. Чтобы ис­ключить ненужное перемагничивание сердечника 1, одновременно с подачей тока в обмотку ω_вых2 сердечника 2 подают размагничи­вающий ток в обмотку ω_вых1 сердечника 1.

Рассмотренная ячейка состоит из ферритовых сердечников и диодов, поэтому называется магнитодиодной. Она может быть ис­пользована, в частности, в распределителях импульсов устройств телемеханики. Находят также применение магнитотранзисторные ячейки, объединяющие ферромагнитные элементы и транзисторы.

Полупроводниковые интегральные микросхемы. В настоящее время в устройствах релейной защиты, автоматики и телемеханики микросхемы начинают широко применяться. Элементы микро­схем — диоды, транзисторы, резисторы и конденсаторы — форми­руются в небольшом объеме полупроводникового материала или на его поверхности путем выращивания кристаллов и напыления пле­нок. В процессе их формирования осуществляются и соединения между ними в соответствии со схемой. При этом резко сокращается число внешних проводников, упрощается монтажная схема, сокра­щается объем устройства и повышается его надежность.

В зависимости от функционального назначения интегральные микросхемы делят на аналоговые и цифровые. К первым относят операционные усилители. Они преобразуют непрерывные сигналы и имеют широкие возможности для использования их в измеритель­ных органах.

На основе цифровых микросхем выполняют, в частности, логи­ческую часть устройств релейной защиты, автоматики и телемеха­ники. Они преобразуют и обрабатывают дискретные сигналы, вы­раженные в двоичном или другом цифровом коде.

Область использования интегральных микросхем в релейной за­щите рассмотрена в [112].