Полупроводниковые реле. Общие принципы

Применение полупроводниковых устройств с релейными свойствами позволяет увеличить быстродействие систем управления, повысить чувствительность, селективность и надежность схем. В ряде случаев удается получить характеристики и режимы, которыми не обладают электромагнитные устройства.

Полупроводниковые реле выполняют функции управления объектами, защиты их от аварийных режимов, осуществляют измерение различных параметров нагрузки. Достаточно распространены реле контроля максимальных и минимальных уровней тока и напряжения, последовательности чередования фаз, их асимметрии и обрыва. Тепловые реле контролируют нагрев обмоток с использованием позисторных датчиков. Реле снабжаются устройствами регулирования уставок в широком диапазоне. Они могут выполняться с самовозвратом или с ручным и дистанционным возвратом после срабатывания, а также с выдержками времени при срабатывании.

Получили распространение так называемые интеллектуальные реле и реле многофункциональные. Интеллектуальные содержат микропроцессорное устройство, позволяющее программировать различные режимы. Многофункциональные реле могут дополнительно осуществлять статистические и диагностические функции. Эти устройства могут входить в состав сложных систем управления, обеспечивая обмен данными с центральным контроллером с использованием всех стандартных сетевых протоколов: Modbus, CANopen, DeviceNet, ProfiBus DP, Ethernet TCP/IP. Входные сигналы эти реле получают от различных датчиков, контролирующих токи, напряжения, температуру и другие параметры.

В общем случае полупроводниковые реле состоят из трех элементов (рис. 11.1): измерительный орган, логическая часть и исполнительный орган. В некоторых многофункциональных реле в их структуру входят микропроцессорные устройства.

Измерительный орган

Логическая часть или микропроцессор

Исполнительный орган

Рис. 11.1. Структура полупроводникового реле

В измерительном органе непрерывная (аналоговая) входная величина преобразуется в дискретный сигнал, поступающий далее на логическую часть. Сигнал называется дискретным, поскольку он имеет два значения: высокий и низкий уровни напряжения, которым принято присваивать значения логического 0 или 1. В измерительных органах используются три основных принципа преобразования сигналов:

1. Сравнение однородных физических величин, например напряжений.

В момент равенства измеряемого и опорного напряжений на выходе появляется нулевой сигнал, который приводит к срабатыванию нуль-органа. На выходе появляется дискретный сигнал. Регулируя величину опорного напряжения, можно менять уставку срабатывания.

Сравнение напряжений может быть реализовано с помощью стабилитрона или аналогового компаратора. Пример схемы со стабилитроном приведен на рис. 11.2. Схема представляет собой измерительный орган для реле тока или напряжения. Выпрямленный сигнал, пропорциональный напряжению

Рис. 11.2. Сравнение напряжений с использованием стабилитрона

или току, подается на мост, образованный резисторами R1, R2, R3 и стабилитроном VD1. В момент равенства напряжений на R2 и VD1 на выходе мостовой схемы появляется нулевой сигнал, который поступает в логическую часть, воздействуя далее на исполнительный орган. Поскольку параметры элементов схемы подвержены температурным колебаниям, необходимо предусмотреть средства температурной стабилизации. В данной схеме может быть использован прямосмещенный диод, включенный последовательно со стабилитроном.

Принцип использования компараторов, строящихся на основе операционных усилителей, будет рассмотрен позже.

2. Проявление физического эффекта, возникающего при определенной

величине измеряемого напряжения, например за счет использования релейной характеристики триггера Шмитта.

3. Преобразование непрерывного входного сигнала в цифровую форму.

После этого производится сравнение цифровых кодов по требуемому алгоритму вычислительного устройства. Этот принцип наиболее перспективен ввиду высокой универсальности и интенсивного развития вычислительной техники. Указанное преобразование осуществляется с применением аналого-цифровых преобразователей.

Исполнительный орган может быть контактным (выходное реле с перекидным контактом) либо с бесконтактным транзисторным ключом.