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 - Un (сигналов X1 - Хп) и логическую операцию И (рис. 3.5, б) для единиц в виде отрицательных напряжений (-U1) - (-Un) (сигналов X1 - Xn).
Для получения положительного напряжения Uвых (сигнала Y) на выходе достаточно на один из входов подать положительное напряжение, например U2 (сигнал Х2). При этом открывается соответствующий диод и на резисторе Rn появляется напряжение Uвых, практически равное напряжению U2. Для получения на выходе отрицательного сигнала - Uвых, обусловленного - E к, необходимо, чтобы при подаче сигналов на вход все диоды закрылись. Это возможно лишь при наличии отрицательных напряжений (-U1) - (-Un) - на всех входах.
|
|
Логическая операция НЕ (инверсия) реализуется транзисторным инвертором (рис. 3.6). Если сигнал на входе отсутствует Uвх = 0 (сигнал Х = 0), то за счет положительного смещения (потенциал базы Eсм) транзистор закрыт, на выходе схемы - отрицательный потенциал – напряжение - Uвых ~ - Ек (сигнал Y = 1). При появлении сигнала Х = 1 на входе (напряжение Uвх > 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 Евх. 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 Iвых или напряжения Uвых на нагрузке Rs. 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 - Uвых» - 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 Uвх (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 Uвх (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 uвх, 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 – Ек (соответствующий транзистор закрыт), а потенциалы точек Б1 и Б2 - соответственно от +Ек до нуля. В действительности при закрытом, например, транзисторе VT1 потенциал точки К.1 равен - Es, а потенциал точки Б2 - нулю. Если VT1 открывается, то потенциал точки К1 становится равным нулю, т. е. получается приращение на +Ен. Напряжение на конденсаторе С1 мгновенно измениться не может, поэтому потенциал точки Б2 получает такое же приращение и становится равным - Ек. Мультивибратор действует следующим образом.
Если открывается транзистор VT1, то точки К1 и Б1 принимают нулевые потенциалы; потенциал точки Б2 изменяется от +Ек до нуля (конденсатор С1 разряжается), а потенциал К2 изменяется от нуля до - Ек (конденсатор С2 заряжается). Когда потенциал Б2 снизится до нуля, транзистор VT2 открывается и поэтому потенциал точки К2 становится равным нулю, а точки Б1 - равным - Ек (конденсатор С2 разряжается), транзистор VT1 закрывается. При этом потенциал точки К1 изменяется от нуля до - Ек (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 tи и паузы tп равны между собой. Изменяя R и С, можно изменять отношение tи /tп.
Мультивибратор с трансформаторным входом, состоящий из двух транзисторов и трансформатора на ферритовом сердечнике (рис. 3.12, а), работает следующим образом. После подключения напряжения питания Un вследствие неидентичности транзисторов в коллекторной цепи одного из них VT1 (через соответствующую коллекторную обмотку wк начинает проходить ток iк1 когда второй транзистор VT2 еще закрыт. При этом сердечник перемагничивается и в базовых обмотках wб индуцируются ЭДС. Полярность включения обмоток wб 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 ωe изменяют свое направление, открывая ранее закрытый транзистор VT2 и закрывая открытый транзистор VT1. Сердечник перемагничивается в противоположном направлении. При его насыщении ЭДС обмоток wб уменьшаются, а затем изменяют направление, т. е. описанный процесс повторяется. Он иллюстрируется графиками, показанными на рис. 3.12,6.
Выходное напряжение Uвых имеет форму прямоугольных импульсов с частотой, пропорциональной напряжению Un и обратно пропорциональной числу витков коллекторных обмоток wк, магнитной индукции насыщения и сечению сердечника. Длительность импульсов равна длительности пауз ta между ними, если параметры одноименных элементов схемы одинаковы. Для изменения отношения tи /tп достаточно изменить сопротивление одного из резисторов R. Частота импульсов может изменяться непрерывно путем изменения Ua и дискретно переключением числа витков wк 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 Uo,c конденсатор С заряжается и на выходе генератора (резистор Rн) появляется импульсное напряжение Uвых (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 wзап1 сердечника 1 (рис. 3.14) положительного (намагничивающего) импульса тока, входящего в обозначенное точкой начало обмотки ωani и перемагничивающего сердечник из состояния 0 в состояние 1, в его выходной обмотке ωвых 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 wсч1 сердечника 1 подается отрицательный (размагничивающий) импульс тока, входящего в конец обмотки. При перемагничивании сердечника в его обмотке ωвых1 наводится ЭДС, противоположная указанной выше полярности, и диод VD1 открывается. Проходящий в цепи обмотки wзп2 сердечника 2 ток переводит сердечник 2 в состояние 1 (записывает единицу). Если теперь подать размагничивающий импульс тока в обмотку wсч2 сердечника 2, то записанная единица передается сердечнику 3. Однако в процессе перемагничивания сердечника 2 возникает также ЭДС в его обмотке wзп2. Для этой ЭДС диод VD1 оказывается открытым. Чтобы исключить ненужное перемагничивание сердечника 1, одновременно с подачей тока в обмотку ωвых2 сердечника 2 подают размагничивающий ток в обмотку ωвых1 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].