Транзисторные реле. 
Электрические и электронные аппараты

Под реле понимают устройство, предназначенное для скачкообразного изменения состояния электрической цепи в результате воздействия входного сигнала. При этом предполагается, что мощность сигнала управления существенно меньше мощности коммутируемой цепи. В качестве реле можно использовать однокаскадный транзисторный усилитель, выполненный по схеме с общим эмиттером, в которой транзистор VTработает в ключевом режиме (рис. 13.1, а).

Коммутируемая нагрузка R_H находится в цепи коллектора, а источник сигнала управления U_y подсоединен к цени базы. При отсутствии сигнала управления транзистор VT закрыт и нагрузка, соответственно, обесточена. При скачкообразной подаче сигнала управления создается ток в цепи базы, достаточный для перевода транзистора в режим насыщения, и нагрузка скачком подключается к источнику коллекторного напряжения (рис. 13.1, 6). Возврат реле в исходное состояние происходит при снятии сигнала управления. Однако при плавном изменении входного напряжения переход транзистора из одного состояния в другое затягивается (рис. 13.1, в). В результате возрастает время включения (?_вкл) и выключения (^выкл) транзистора, в течение которого транзистор находится в активном режиме. Крутизна фронтов повышается при увеличении коэффициента усиления транзистора (3 или при введении промежуточных усилителей. Статические и динамические процессы транзисторов в ключевых режимах работы подробно рассмотрены в гл. 10.

Рис. 13.1. Транзисторное реле на основе однокаскадного усилителя:

а — принципиальная схема; 6 — идеальные диаграммы напряжения; в — диаграммы напряжения с учетом времени коммутации Таким образом, однокаскадный усилитель при плавном изменении входного сигнала не обладает релейной характеристикой срабатывания. Для создания такой характеристики необходимы устройства с положительной обратной связью (ПОС). В электромагнитных реле постоянного тока существует внутренняя естественная ПОС: при движения якоря с уменьшением зазора увеличивается электромагнитная сила. Поскольку на выходе однокаскадного усилителя происходит инвертирование знака входного сигнала, реле с ПОС можно реализовать на основе двухкаскадных усилителей. В этом случае к входному сигналу будет добавляться синфазный сигнал обратной связи и (при определенных условиях) процесс переключения начнет развиваться лавинообразно.

Возможны два способа выполнения ПОС: по напряжению и току.

На рис. 13.2, а представлена схема реле на базе двухкаскадного усилителя с ПОС по напряжению. Оба транзистора работают в ключевом режиме. Коммутируемая нагрузка R_n включена в цепь коллектора выходного транзистора VT2. Напряжение управления U_y подводится через резистор R_ca к базе входного транзистора VT1, которая через резистор ПОС R_oc подключена к выходу реле — коллектору транзистора VT2. Прямую связь между каскадами обеспечивает резистор R₍₎₂. Реле управляется знакопеременным входным сигналом. Будем считать исходным состоянием реле, когда входное напряжение отрицательно. В этом случае транзистор VT1 закрыт и, соответственно, транзистор VT2 открыт.

Рис. 13.2. Транзисторные реле с положительной обратной связью:

а — по напряжению; б — по току; в — диаграммы напряжений При появлении положительного напряжения 1)_у возникает ток базы транзистора VT1 и он переходит из режима отсечки в активный режим. В результате напряжение на коллекторе транзистора VT1 снижается, что приводит к уменьшению тока базы транзистора VT2, который начинает выходить из режима насыщения. При переходе транзистора VT2 в активный режим возникает ток в цепи ПОС (ток в резисторе R_oc). Ток ПОС суммируется с током входного сигнала, что приводит к дополнительному увеличению тока базы i₆₁. И далее процесс идет лавинообразно. Благодаря действию ПОС создается релейный эффект, что вызывает скачкообразное выключение транзистора VT2 и обесточивание нагрузки. В новом состоянии транзистор VT1 будет оставаться насыщенным и при снижении U_y до нуля при соответствующем выборе /?_ос.

Сопротивление резистора /?_ос, обеспечивающее релейный эффект, может приближенно быть определено так:

где (3_t, р₂ ^— коэффициенты усиления транзисторов.

Для возврата реле в исходное состояние необходимо подать отрицательное входное напряжение, чтобы закрыть транзистор VT1. Этот процесс после перехода обоих транзисторов в активный режим также будет развиваться лавинообразно.

Схема реле с ПОС по току приведена на рис. 13.2, б. Резистор R_oc ПОС включен в цепь эмиттеров обоих транзисторов. Эта схема при отсутствии входного сигнала всегда имеет одно приоритетное состояние (транзистор VT2 открыт), поскольку ток эмиттера транзистора VT2 создает напряжение на резисторе Л_()С, запирающее транзистор VT1. Такое устройство известно также как «триггер Шмитта».

Для перехода реле в другое состояние необходимо подать входное положительное напряжение U_yy несколько превышающее падение напряжения на резисторе R_oc. Появление тока базы в транзисторе VT1 переводит его в активный режим, что вызывает снижение напряжения на его коллекторе и соответствующее уменьшение тока базы транзистора VT2. При выходе транзистора VT2 из насыщения оба транзистора оказываются в активном режиме, падение напряжения на резисторе R_oc уменьшается и ток базы транзистора VT1, соответственно, увеличивается. В результате действия ПОС возникает лавинообразное переключение транзисторов из исходного состояния в противоположное. Сопротивление резистора R_oc, при котором возникает релейный эффект, приближенно может быть определено из соотношения

Возврат реле в исходное состояние произойдет при уменьшении входного напряжения U_y ниже нового значения напряжения на резисторе R_oc. Поэтому в схеме с ПОС по току уровни срабатывания и отпускания реле различны, как и в схеме с ПОС по напряжению. Таким образом, подобно электромеханическим реле характеристика «вход-выход» имеет гистерезис.

Рассмотренные схемы реле на основе двухкаскадных усилителей на биполярных транзисторах важны для понимания метода ПОС, используемого в электронных устройствах с релейным эффектом срабатывания. Однако напряжения срабатывания и отпускания таких реле зависят от прямого падения напряжения на переходе база-эмиттер входного транзистора, что вносит дополнительные температурные погрешности. Возможности микроэлектроники позволяют создать более совершенные реле. При этом релейный элемент целесообразно выполнять на базе интегральных операционных усилителей с внешней ПОС, а в качестве выходного каскада использовать силовой ключ на транзисторах. Пример такого реле приведен на рис. 13.3.

Реализация различных алгоритмов работы устройств автоматики и защиты требует применения реле времени, реле тока, реле мощности, реле частоты и т. д. Электромеханические реле указанных типов достаточно громоздки и не обладают необходимой гибкостью. Появление транзисторов позволило создать более совершенные реле. В качестве примера на рис. 13.4 представлена схема реле времени, выполненная на основе двухкаскадного транзисторного усилителя и времязадающей RC-цеии (резистор R1 и конденсатор С).

Рис. 13.3. Электронное реле на основе операционного усилителя.

Рис. 13.4. Электронное реле времени.

В исходном состоянии реле ключ S замкнут, конденсатор С разряжен, транзистор VT1 закрыт напряжением ?_зап, а транзистор VT2 выходного каскада проводит ток нагрузки, т. е. реле включено. После размыкания ключа S отключение реле происходит с некоторой задержкой, обусловленной инерционностью процесса заряда конденсатора С по цепи: Е — R1 — С — Е._ма. При превышении напряжением на конденсаторе IJ_C значения, равного по модулю напряжению источника Е_зяп, напряжение база-эмиттер транзистора VT1 становится положительным. В резз’льтате транзистор VT1 открывается, a VT2 — закрывается, обесточивая нагрузку R_n. Время выдержки на отключение реле (без учета прямого падения напряжения база-эмиттер транзистора VT1) приближенно равно.

Современные электронные технологии принципиальным образом изменили возможности электронных реле. Они способны коммутировать цепи постоянного и переменного токов с напряжениями от единиц микровольт до нескольких сотен вольт и токами от единиц микроампер до одного ампера. Реле имеют интегральное конструктивное исполнение в стандартном миниатюрном пластиковом корпусе. На рис. 13.5 в качестве примера приведены типовые схемы реле для коммутации переменного и постоянного тока. Они выполнены на основе МОП-транзистора.

Рис. 13.5. Интегральное реле с выходным МОП-транзистором.

Дальнейшее развитие привело к появлению многофункциональных реле в едином корпусе по интегральной технологии. Такие реле получили название «интеллектуальных» или «разумных». Они имеют внутренние защиты, обеспечивающие безотказную работу реле в разных аварийных режимах. Примером «интеллектуального» реле может служить модуль PROFET фирмы lnfenion Technologies, структурная схема которого приведена на рис. 13.6.

Рис. 13−6. Структурная схема «интеллектуального» реле.