Главная » Книги и журналы

1 ... 26 27 28 29 30

НИИ. Поэтому, как только входной сигнал уменьшится до значейия Uy < С/отп транзистор 77 в^лйдет из состояния насЬщения, напряжение коллектора попадет через резистор R1 на базу транзистора Т2 и откроет его. Реле вернется в исходное состояние с нулевым напряжением на выходе. Таким образом, это реле преобразует плавно изменяюшийся входной сигнал в дискретный-выходной сигнал установленного уровня. Диаграмма работы реле представлена на рис. 23-3,6.

Схемы реле на электронных лампах устроены и работают аналогично.

Бесконтактные схемы, обладающие релейными свойствами, могут быть построены j--° + Uo

также и на тиристорах. На рис. 23-4 приведена схема тиристорного реле, состоящая из двух тиристоров Д1 и Д2, аноды которых связаны через конденсатор С. Сопротивление нагрузки Кн включено в анодную цепь первого тиристора, а в анодную цепь второго включено балластное сопротивление R. При подаче отпирающего сигнала l/yi на управляющий электрод тиристора Д1 послед- Р 3-4. Схема тиристорного реле НИИ открывается и в нагрузке появляется ток.

Снятие управляющего сигнала и даже подача отрицательного напряжения ш управляющий электрод не приводят к выключению тиристора Д1, так как включенный тиристор теряет управляемость. Для его выключения служит второй тиристор (Д2).

При подаче на тиристор Д2 отпирающего сигнала Uy он включается, а конденсатор С, зарядившийся во время проводимости тиристора Д1 до напряжения источника с полярностью, указанной на рис. 23-4, разряжается через тиристор Д1. Ток разряда конденсатора имеет направление, противоположное направлению анодного тока тиристора Д1, а значение его практически Ш1чем не ограничено при условии, конечно, что проводимость разрядного контура не изменяется. Поэтому при достижении током разряда конденсатора значения анодного тока проводящего тиристора Д1 последний выключается, так как результирующий ток через него становится равным нулю, а обратный ток невозможен из-за вентильнь?х свойств тиристора.

23-4. ЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ И ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

При автоматизации производственных процессов для блокировки, сигнализации, автоматического и прог1)аммного управления применяются устройства дискретного действия, назначение которых - выработка правильной команды исполнительным органам в зависимости от сочетания сигналов, поступающих на входы. Эти устройства составляются из так называемых логических элементов, каждый из котЮрых реализует элементарную логическую операцию. Вся же совокупность логических элементов, входящих в автоматическую систему, производит сложное логическое действие, в результате которого на выходе системы появляется нужный сигнал.

В результате операции, выполняемой логическим элементом, на его выходе появляется сигнал да или нет без промежуточных значений. Это действие может быть вы{ражено двоичным кодом, в котором используются только две цифры: нуль (нет) и единица (да). В контактных реле этим цифрам соответствуют два противоположных положения контактов - разомкнутое и замкнутое,

а в бесконтактных элементах - отсутствие напряжения (тока) или его наличие. Соответственно и входные сигналы, приводящие логический элемент в то или иное состояние, тоже могут быть лишь двух видов - нуль или единица.

Любая, сколь угодно сложная логическая операция может быть разложена на элементарные логические функции НЕ , ИЛИ и И . Обозначим через Xi, Х2 и входные величины, а через У - выходную величину и рассмотрим подробно :ементарные функции для трех входов.

Функция НЕ , называемая отрицанием (инверсией), означает, что выходная величина всегда противоположна входной.

Например, если Xi = 1, то =0, и, наоборот, если Xi=0, то У= 1. Эта функция обозначается чертой над входной величиной

Y=Xi. (23-4)

Логический элемент, реализующий функцию отрицания, называется инвертором.

Функция ИЛЪ называется логическим сложением и обозначается следующим образом:

¥Хг+Х2 + Х^. (23-5)

Выход функции или равен 1, если хотя бы на одном входе есть 1, и равен О только в случае, если на всех входах нули.

Функция И называется логическим умножением и обозначается так:

Y=XiX2Xi. (23-6)

Выход функции и равен 1 только в том влучае, если все входы равны 1. В остальных случаях выход равен 0.

Эти элементарные логические функции реализуются соответствующими логическими элементами, носящими те же названия. Любая сложная логическая функция может быть принципиально реализована набором только этих трех элементов в различных сочетаниях.

Кроме перечисленных элементарных логических функций, большое значение в построении программных устройств имеет более сложная логическая функция память . Сущность этой функции заключается в том, что логический элемент должен запомнить поданный на его вход сигнал и сохранить соответствующий ему выход после снятия сигнала. Сбрасывание памяти должно происходить после подачи сигнала на другой вход. Функция памяти может быть составлена из трех элементарных функций следующим образом:

Y={Xi + Y)X2. (23-7)

Нетрудно видеть, что если У = О, то после прихода сигнала Х^ = 1 (Zj остается равным 0) У принимает значение, равное 1. За счет обратной связи (У в правой части равенства) правая часть равенства остается равной единице и после снятия сигнала Xi. Подача же сигнала Х2 = 1 делает У = О, т. е. снимает сигнал с выхода. Таким образом, функция память может быть реализована элементарными логическими элементами.

Однако, ввиду того что функция память применяется очень часто, целесообразно иметь в наборе специальный элемент память .

И, наконец, для осуществления определенной последовательности операций, кроме указанных элементов, выполняющих логические функции, необходимо иметь элемент, позволяющий осуществить задержку передачи сигнала. Такой элемент называется задержкой или элементом выдержки времени . Таким образом, полный набор логических элементов содержит пять элементов: НЕ , ИЛИ , И , память и задержка .

На рис, 23-5 изображены эти основные пять элементов и соответствующие им эквиваленты, построенные на контактных реле. Эти контактные схемы более привычны и поэтому использованы для пояснения работы логических элементов.

Входами контактных эквивалентов являются контакты Xi, Х2 и Х^, включающие реле Y, а выходом - контакт реле У. Если контакт на входе реле У размыкающий, схема (рис. 23-5, а) реализует функцию НЕ , так как срабатывание контакта X {Х= 1) означает размыкание цепи реле (F=0).

Хг-.Xj-

Xj г--У

3)

Y Xi

Рис. 23-5. Основные логические элементы и их контактные эквиваленты

При параллельном соединении замыкающих контактов Х^, Х2 и Х^ (рис. 23-5, б) достаточно срабатывания любого контакта для того, чтобы включилось реле {У = 1). Поэтому данная схема соответствует функции ИЛИ .

Последовательное соединение замыкающих контактов Х-, Х^ и Х^ (рис. 23-5,в) реализует функцию И : только при срабатывании всех контактов включается реле и на выходе появляется сигнал {У - 1). Схема реле с блокировкой (рис. 23-5, г) является эквивалентом памяти. Здесь входные контакты Х^ и Х2 обозначены кнопками, чтобы подчеркнуть кратковременность действия управляющих сигналов. После нажатия на кнопку реле У становится на самоблокировку до тех пор, пока цепь реле не будет разомкнута кнопкой Х^.

Контактным эквивалентом задержки является реле с выдержкой времени на срабатывание. Эта схема изображена на рис. 23-5, д.

23-5. МАГНИТНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Основные логические функции можно осуществить с помощью самых разнообразных элементов: реле, электронных ламп, полупроводниковых приборов и др. В настоящее время большое распространение получили логические элементы, построенные на магнитных усилителях Рэйми. Примером подобных

элементов является серия Логика-М , предназначенная для работы в электрических схемах промьппленной автоматики на частоте 50 Гц.

В Основу работы магнитных логических элементов положен принцип действия усилителя Рэйми, рассмотренный ранее в § 22-3. Однако по схемному выполнению логические элементы несколько отличаются от усилителя Рэйми. Это объясняется тем, что логические элементы предназначены для работы в цепочке, т. е. друг на друга, а усилитель Рэйми так работать не может.

На рис. 23-6 показаны два усилителя Рэйми, включенные последовательно. Из-за встречного включения полупроводниковых диодов Др1 и Ду2 один О/ихг усилитель не может непофедственно.

управлять другим. Для устранения этого явлешя включают развязывающий резистор R, который создает путь как для рабочего тока пфвого усилителя ipi, так и для тока управления второго iy2.

Если сигнал управления первого усилителя l/,t отсутствует, то переменная ЭДС в его цепи управления каждую первую половину периода намагничивает сердечник, возвращая его в исходное положение. Каждую вторую половину периода ЭДС е. в рабочей обмотке этого усилителя перемагничивает сердечник в обратном направлении. Это перемагничивание требует очень малого

Рис. 23-6. Последовательное включение двух усилителей

R Uy R

Рис. 23-7. Схемй элементов ИЛИ (а), И (б) и НЕ (в)

g o-*-о

тока (намагничивающего тока), поэтому падение напряжения от этого тока на резисторе R практически равно нулю. Следовательно, напряжение управления второго усилителя Vy2 = О и на его выходе тоже 1/вых = О-

Если же на входе первого усилителя появится запирающий сигнал Uyi > > е,., то перемагничивания сердечника током цепи управления не произойдет, сердечник останется в состоянии постоянного насыщения и в рабочей цепи появится ток ipi, значение которого ограничивается только сопротивлением резистора R. Этот ток создаст на резисторе R большое падение напряжения С/,2, которое запрет цепь управления второго усилителя. В результате на его выходе появится напряжение С/вых.

Таким образом, благодаря сопротивлению R один усилитель может управлять другим. В элементах серии Логика-М в качестве этого сопротивления

используют иолущюводниковый диод, что улучшает характеристики схемы.

Для реализации функции ИЛИ на вход логического элемента включаются даоды. Схема их включения изображена на рис. 23-7, а. При подаче управляющего напряжения на любой вход оно окажется приложенным к резистору R, запрет цепь управления и на выходе усилителя появится напряжение Uy Если же сигнал отсутствует на всех входах, то ничто не мешает сердечнику перемагничиваться под действием ЭДС и ш выходе напряжение С/у = 0.

Функция И реализуется магнитным элементом, у которого для каждого сигнала имеется отдельный вход с сопротивлением R. Схема такого элемента представлена на рис. 23-7,6. Так как все входы включены параллельно, то лишь при наличии сигналов на всех входах (в изображенной схеме два входа) цепь управления полностью запирается, перемагничивания сердечника током управления не происходит и на выходе появляется напряжение Uy

Элемент НЕ изображен на рис. 23-7, е. У этого элемента в цепи управления отсутствует источник ЭДС

и перемагничивание сердечника производится напряжением управления Ux- Поэтому при наличии сигнала Ux на входе сигнал на выходе Uy отсутствует, и наоборот.

В состав серии Логика-М входит еше ряд элементов, реализуюпщх различные логические функции, например память, задержка и др. Их принцип

действия основан на тех же свойствах усилителя Рэйми, они отличаются лишь схемными решениями.

На рис. 23-8 изображен общий вид магнитного элемента в разрезе. Все детали элемента - магнитный сердечник 2, полупроводниковые приборы 3 и резисторы - помещены в пластмассовый корпус /. Выводы 4 размещены на нижнем торце элемента и приспособлены под пайку.

Рис. 23-8. Общий вид магнитного логического элемента

23-6. ТРАНЗИСТОРНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

При вс х достоинствах магнитных логических элементов (простота конструкции, высокая надежность, высокая помехоустойчивость и т. д.) эти элементы обладают одним существенным недостатком, сужающим их область применения,- относительно малым быстродействием. Это свойство вытекает из принципа действия элементов. Действительно, управляющий сигнал намагничивает сф-дечник в течение первой половины периода, а напряжение, соответствующее этому управляющему сигналу, появляется на выходе во второй половине периода. Таким образом, время реакции элемента на сигнал не менее половины периода. Следовательно, максимальная частота входных сигналов, на которые элемент успевает правильно реагировать, не превышает частоты питания, а практически и того меньше. Магнитные логические элементы на частоту 50 Гц допускают частоту входных сигналов 2-5 Гц, а элементы на 400 Гц - частоту 10-40 Гц.

Для тйшики автоматического регулирования и управления в тех случаях, когда частота сигналов составляет сотни и тысячи герц, разработана и внедрена серия логических элементов на транзисторах Логика-Т . ЭлеменЯл этой серии допускают частоту входных сигналов до 3000 Гц. Элементы этой серии представляют собой транзисторные усилители, работающие в ключевом

режиме и устроенные так, что они обеспечивают выполнение определенных логических функций.

Одним из элементов этой серии является элемент Т-101, реализующий две функции: ИЛИ и НЕ . Принципиальная схема его приведена на рис. 23-9,а. Основой элемента является усилитель на транзисторе Г, работающий в ключевом режиме. Если сигнал на входе отсутствует, то под действием положительного напряжения смещения С4м транзистор заперт и на выходе имеется напряжение Uy. При подаче на любой вход напряжения, например напряжения

к

-w--t

UX2 н<И

Т

UX2 Н<И

Uy У/г >*- у

-ооо од

Рис. 23-9. Схемы элементов Т-101 (а) и Т-107 (б и в)

транзистор откроется. Сопротивления Kg и Кем напряжения выбраны так, что входной сигнал переводит транзистор в состояние насыщения, в результате чего напряжение на выходе С/у снижается почти до нуля. Диоды на входах нужны для развязывания входов, т. е. для того, чтобы отрицательный входной сигнал на любом входе не мог попасть на другой, более положительный вход, где сигнала нет. Таким образом, логическая функция, которую осуществляет элемент Т-101, - это двойная функция сложения и отрицания ИЛИ - НЕ .

Другим важным элементом является элемент Т-107. Его функции ИЛИ - И , а схема изображена на рис. 23-9, б, е. Этот элемент состоит из набора полупроводниковых диодов и резистора, -. выводы от которых можно соединять двумя способами. Если соединить эти выводы так, как показано на рис. 23-9,6, то получится схема ИЛИ , так как напряжение С/у на выходе появляется при наличии входного сигнала на любом входе. Если же осуществить соединение, показанное на рис. 23-9, в, то реализуется функция И . В этом случае на выходе появляется напряжение лишь тогда, когда входные сигналы есть на всех входах. Если сигнал отсутствует хотя бы на одном входе, то этот вход шунтирует остальные и не дает появиться напряжению на выходе.

Кроме перечисленных элементов, в серию Логика-Т входит еще ряд элементов, как, например, элемент Т-102, реализующий функцию память .

Рис. 23-10. Внешний вид транзисторных логических элементов серии Логика-Т

транзисторное реле Т-202, выходные усилители и др. Конструктивно все элементы представляют собой так называемые модули. Полупроводниковые приборы и другие комплектующие изделия смонтированы на гетинаксовой плате с йечатнЫм монтажом. Для защиты от воздействия внешней среды, а также для возможности крепления элементов на общей панели плата со смонтированными на ней элементами залита компаундом и помещена в пластмассовый корпус с крышкой, на которой сделаны выводы. КонструкЩ1я неразборная и неремонтопригодная. Внешний вид элемента представлен на рис. 23-10.

Кроме серии Логика-Т , промышленность выпускает и другие серии логических полупроводниковых элементов, которые имеют такие же принщ1пи-альные схемы, осуществляют те же функщ1и, но конструктивно выполнены на принщ1пах микроэлектроники. Преимуществом этих серий являются малые габариты и масса, низкая стоимость и малое потребление энергии.

23-7. ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ БЕСКОНТАКТНЫХ КОММУТАТОЮВ

Как уже указывалось, полупроводниковые приборы типа транзистора и тиристора в принщ1пе пригодны для коммутащ1И - включения и отключения - электрической цепи. Управление коммутацией осуществляется подачей соответствующих импульсов тока на управляющий электрод. Возрастающие требования к надежности систем электрооборудования, особенно автономных систем (самолетные, судовые и т. п.), определяют необходимость перехода от традиционной электромеханической аппаратуры к бесконтактным устройствам коммутации и защиты сетей постоянного и переменного тока. Однако при использовании полупроводниковых приборов для коммутации силовых цепей следует учитывать специфические свойства этих приборов, отличающие их от выключателей с металлическим контактом.

Одна из основных особенностей - это повышенное по сравнению с металлическим контактом падение напряжения на полупроводниковом контакте - от долей вольта до нескольких вольт. Это приводит к значительному выделению мощности и, следовательно, нагреву контакта. Поэтому Полупроводниковые приборы требуют интенсивного охлаждения - воздушного или воДяного.

В переходных режимах и, особенно, при аварийной ситуации, например при коротких замыканиях, возможны броски тока, во много раз превышающие номинальные. Длительность этих бросков обычно невелика, они прекращаются или вследствие затухания переходного процесса, или вследствие защитного отключения. Для металлического контакта они не представляют опасности. Иначе обстоит дело с полупроводниковым контактом, который представляет собой кристалл полупроводника объемом не более десятков кубических миллиметров и поэтому с малой теплоемкостью. При внезапном увеличении тока, т. е. мощности потерь, теплота не успевает отводиться от кристалла к охладителю. Поэтому кристалл, в котором выделяется эта теплота, начинает нагреваться с большой скоростью. Так как допустимая температура нагрева кристалла невелика - от 160 до 200 °С, то полупроводниковый прибор может очень быстро выйти из строя. Поэтому одним из важных показателей кратковременной перегрузочной способности прибора является величина

А = Ih. (23-8)

Она характеризует максимально допустимую энергию, которую прибор может рассеять в условиях, когда практически отсутствует отвод теплоты. Так, например, для тиристора ТЧ-10 величина Л = НО А^-с; это значит, что

прибор допускает в течение, например, t = 0,01 с импульс тока, равный 100 А, а в течение 0,1 с - всего 30 А.

Из сказанного следует, что надежная работа полупроводникового коммутатора возможна лишь при условии, что внезапные броски тока будут либо ограничиваться, либо отключаться с достаточной скоростью, т. е. в бесконтактной системе естественно совмещать функции коммутации нагрузки с ее ограничением и защитой сети в одном и том же устройстве. Это оказывается возможным благодаря замечательному свойству самих полупроводниковых приборов - их быстродействию. Скорость включения лучших типов тиристоров - порядка 10 МКС, а у транзисторов еще выще - до 0,5 мкс. Этого вполне достаточно для отключения neiin раньше, чем ток короткого замыкания возрастет до недопустимого значения. Тем более, что скорость нарастания аварийных токов может быть снижена включением небольших реакторов в токовую цепь.

Ограничения тока можно достичь путем перевода прибора в режим периодического переключения с необходимым коэффициентом заполнения (см. § 22-5). Такой режим обычно используется в транзисторных коммутирующих устройствах постоянного тока.

Другая особенность полупроводниковых коммутирующих устройств - сохранение гальванической связи отключенной части цепи с источником вследствие несовершенства полупроводникового контакта, т. е. наличие токов утечки в режиме отключения. Этот недостаток устраняют, включая последовательно разъединитель - металлический контакт, который коммутирует цепь только в обесточенном состоянии.

Таким образом, коммутирующее устройство на полупроводниковых приборах обязательно должно дополняться специальной схемой контроля и защиты, 4 также разъединителем.

23-8. ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСТРОЙСТВА КОММУТАЦИИ И ЗАЩИТЫ СЕТЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

вип

в сетях постоянного тока в качестве коммутирующего прибора предпочтительное применение находят полностью управляемые приборы - транзисторы. Это объясняется тем, что другие приборы - тиристоры - для отключения

постоянного тока требуют использования специальной, до-Л2 вольно сложной схемы искусст-

-й-1 венной коммутации и поэтому

Д1 находят довольно ограниченное

-К1-г применение.

Как указывалось выше, транзисторные коммутаторы-ключи должны совмещать функции ограничения максимальных токов нагрузки и защиты сети от короткого замыкания. Для реализации этих функций в составе коммутатора необходимо иметь устройство, обеспечивающее ограничение тока на заданном уровне и отключающее его полностью при затяжном характере

У		л

Рис. 23-11. Функциональная схема выключателя защиты сетей

перегрузки. Все указ нше ооерации по управлению силовым ключом-транзистором осуществляются в практических схемах с помощью вычислительного устройства, едбраиного для уменьщения габаритов, массы и потребления мощности на микросхемах. На рис. 23-11 представлена функхщональная схема бесконтактного выключателя защиты сети постоянного тока, рассчитанного на ток 30 А при напряжении 27 В. Выключатель имеет КПД 96-98%, объем 120 см\ массу 250 г и отключает сеть при максимальном токе 80 А за 3 мкс. На схеме И - источник питания, Н - нагрузка сети, К - транзисторный ключ, включающий и отключающий нагрузку. Управление транзистором производится от усилителя У, который, в свою очередь, управляется блоком логики Л, получающим информацию о токе нагрузки в виде падения напряжения на резисторе R. Цепи управления питаются от вторичного источника питания ВИП. Диод Д1 служит для пропуска обратного тока, так как транзисторный ключ К имеет одностороннюю проводимость, а стабилитрон Д2 защищает траюистор от перенапряжений.

На рис. 23-12 изображены временные диаграммы работы ключа. В нормальном режиме работы силовой транзистор-ключ находится в насыщенном состоянии с малым коллекторным падением напряжения и поэтому с малыми потерями. При увеличении тока до предельного значения, называемого током отключения транзистор переводится системой управления в щиротно-

импульсный, режим стабилизации тока на уровне тока отключения. Этотрежим система управления может поддерживать в течение определенного заданного интервала времени Г„. Если за это время ток уменьшится до нормального значения, то отключения нагрузки не произойдет. Такой режим может быть при кратковременных бросках тока нагрузки, например при пуске двигателя. Величина Г„ выбирается в соответствии с предполагаемой длительностью броска тока. Если же ток не спадает, например, вследствие короткого замыкания, то по истечении времени Т„ происходит отключение нагрузки путем запирания транзистора. Для обеспечения автоматического повторного включения схема управления производит периодические контрольные включения с довольно большим интервалом времени Т.

Рис. 23-12. Временные диаграммы тока нагрузки при кратковременным броске тока (кривая /) и при коротком замыкании (кривая 2)

23-9. ТИРИСТОРНЫЕ КОММУТАТОРЫ ЦЕПЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Для коммутации силовых цепей переменного тока используются преимущественно тиристоры. Они способны пропускать большие токи при малом падении напряжения, включаются сравнительно просто подачей на управляющий электрод маломощного импульса управления. При этом их основной недостаток - трудность выключения - в цепях переменного тока не играет роли, так как переменный ток обязательно два раза за период проходит через нуль, что обеспечивает автоматическое выключение тиристора.

Схема однофазного тиристорного ключа приведена на рис. 23-13. Импульсы управления формируются из анодных напряжений тиристоров. Если на аноде тиристора Д1 положительная полуволна напряжения, то при замыкании ключа К ч&рез диод ДЗ и резистор R пройдет импульс тока управления тиристором Д1. В результате тиристор Д1 включится, анодное напряжение упадет почти до нуля, сигнал управления исчезнет, но тиристор останется в проводящем состоянии до конца полупериода, пока анодный ток не пройдет через нуль. В другой полупериод, при противоположной полярности напряжения сети, аналогично включается тиристор Д2. Пока ключ jFC будет замкнут, тиристоры будут автоматически поочередно включаться, обеспечивая прохождение тока от источника к нагрузке.

Такие тиристорные ключи являются основой однофазных и трехфазных коммутирующих устройств. На рис. 23-14 в качестве примера изображена схема реверсивного пускателя для асинхронных двигателей. Силовыми коммутирующими элементами являются тиристоры Д1 - ДЮ, которые открываются контактами КИ, К12, К13 реле К1 (вперед) или контактами К21, К22, К23 реле К2 (назад). Трансформаторы тока ТТ1 и ТТ2 подают сигнал перегрузки в блок защиты БЗ, который, воздействуя на базу транзистора Г2/, снимает питание реле К1 и К2 и тем самым приводит к отключению пускателя.

Рис. 23-13. Схема однофазного тиристорного кдюча

A2im

t!A.2 pis. Ss Яй.

±

К13 К23

Пуск Вперед Пуск назад =i Стоп

Рис. 23-14. Схема реверсивного пускателя

1 ... 26 27 28 29 30