Виды реле

ВВЕДЕНИЕ.

Современная радиоэлектроника во многом определяет технический прогресс фактически во всех областях науки, техники и  производства. Это обусловлено тем, что с помощью радиоэлектронных систем и устройств можно решать такие задачи, как передача информации, извлечение информации из электромагнитного  колебания, хранение и отображение  информации, передача команд на управляемые  объекты, контроль и обеспечение  работоспособности автоматизированных производственных и измерительных  систем.

В основе функционирования большинства  видов электрических аппаратов  лежат процессы коммутации (включения  и отключения) электрических цепей. [1]

В бытовой радиоэлектронной аппаратуре широко используются коммутационные изделия (коммутирующие устройства и электрические соединители). Коммутирующие устройства в виде выключателей и переключателей применяются для коммутации электрических цепей с целью выбора определенного режима их работы. Они состоят из системы контактов и приводного устройства, при помощи которого система контактов переходит из одного состояния в другое. Контакты изготовляются из бронзы, латуни или вольфрама и покрываются серебром, платиной или золотом. В зависимости от способа действия приводного устройства переключатели делятся на перекидные, нажимные, галетные, барабанные и продольно-ножевые. Основными параметрами переключателей являются переходное сопротивление, емкость между контактами, четкость фиксации, срок службы и др. [2]

Различают:  автоматические коммутационные устройства – реле (управляемых дистанционно) и неавтоматические (непосредственно управляемые  человеком)  - электрические кнопки, тумблеры, клавиатуры, водяные или воздушные клапаны и т.д.

Наиболее широко используются  коммутирующие устройства, предназначенные  для различных переключений в  слаботочных (реле) и в сильноточных (контакторы, пускатели) цепях.  

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Реле - устройство для автоматической коммутации электрических цепей по сигналу извне. Любое релейное устройство, как и реле для коммутации электрических цепей, состоит из релейного элемента и группы электрических контактов, которые замыкаются (или размыкаются) при изменении состояния релейного элемента. В настоящее время в электронике и электротехнике реле используют в основном для управления большими токами. В цепях с небольшими токами для управления чаще всего применяются транзисторы или тиристоры.

1. Виды реле

В зависимости от физической природы  входного (управляющего) сигнала реле подразделяются на:

• Электрические
• Тепловые
• Механические
• Магнитные
• Оптические

Электрические реле наиболее распространенный тип реле, широко применяемый в измерительной технике, телефонии и радиоэлектронной аппаратуре.

В свою очередь электрические реле в зависимости от наличия или отсутствия механического перемещения в самом устройстве делятся на реле электромеханические и статические электрические (коммутационные с бесконтактным выходом: полупроводниковые, электронные, оптоэлектронные и т. д.).

Электромеханические реле в зависимости от происходящих внутри реле явлений: могут быть электромагнитными, электротепловыми, электрогидродинамическими и т. п.

Среди многообразия релейных устройств, применяемых в технике, электромагнитные реле, как и ранее, занимают ведущее положение.

К электромагнитным реле относятся  традиционные реле с неподвижной обмоткой электромагнита и ферромагнитным якорем, а также  магнитоэлектрические, электродинамические и индукционные электромагнитные реле. Некоторые типы электромагнитных реле не имеют самостоятельного якоря, функции которого выполняют магнитоуправляемые контактные детали (герконовые реле) или подвижный сердечник обмотки (плунжерный тип реле).

Электромагнитные реле, как и другие электрические реле, по роду управляющего и коммутируемого тока могут быть постоянного и (или) переменного тока.

Обычные конструкции контактной системы  электромагнитных реле позволяют коммутировать  как постоянный, так и переменный ток с частотами до сотен килогерц. Специальные конструкции контактной системы (согласованное волновое сопротивление  ввода–вывода тока, уменьшенная паразитная емкость и т. п.) обеспечивают коммутацию высокочастотных сигналов до нескольких гигагерц.

По чувствительности входного сигнала  и величине коммутируемого тока электромагнитные реле подразделяют на сверхчувствительные (10^-7 – 10^-10 Вт) реле, регистрирующие сверхмалые токи, а также высоко – и нормально чувствительные слаботочные (10^-6 – 25 А).

Более мощные реле, коммутирующие  токи более 50 А и напряжения более 1000 В, называются контакторами и высоковольтными реле.

Слаботочные реле стали в настоящее время самостоятельным классом электрических реле, включающим в себя наиболее распространенные электромагнитные реле с подвижным якорем, герконовые реле, электротепловые и слаботочные реле времени. [3,4]

Основные характеристики реле

 Зависимость между вторичными у и первичными х параметрами называется характеристикой управления реле (рисунок 1).

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – характеристика управления реле.

 

При увеличении параметра х от 0 до величины х_отп значение параметра у_мин не изменяется, причем величина у_мин  большей частью равняется 0. В тот момент, когда параметр х достигает значения х_сраб, параметр у изменяется скачком от значения у_мин  до значения у_макс. (время изменения параметра у определяется временем переходного процесса.) при дальнейшем увеличении параметра х до величины х_раб значение параметра у остается неизменным. При уменьшении параметра х до величины, равной х_отп, значение параметра у также не изменяется и только при величине х, равной х_отп, параметр у скачком уменьшается до у_мин.

Значение  х= х_сраб называется параметром срабатывания реле, а х= х_отп параметром отпускания реле.

Отношение х_отп к х_сраб называется коэффициентом возврата реле К_в= х_отп/х_сраб, а отношение х_раб к х_сраб коэффициентом запаса (по управляющему параметру х) К₁= х_раб/ х_сраб.

Входному  параметру х_сраб соответствует мощность срабатывания или управляющая мощность Р_ср, которую необходимо подвести  к воспринимающему органу для приведения в действие (срабатывания) реле. Мощность, многократно коммутируемая исполнительным органом реле, называется управляемой мощностью Р_у. Отношение управляемой мощности к мощности срабатывания называется коэффициентом управления реле К_у= Р_у/ Р_ср.

 

2. РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ.

 

Анализируя  задание, в разрабатываемом устройстве можно выделить основные части: входной регистр – защёлку (RG), дешифратор номера канала (DC 4х16), блок индикации (НL) и блок транзисторных ключей и реле (SA). Структурная схема устройства приведена на рисунке 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 – структурная схема релейного коммутатора.

 

 

 Функциональная  схема устройства представлена на рисунке 3 и в приложении А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 – функциональная схема релейного  коммутатора.

 Для питания устройства используется блок питания, структурная схема  которого приведена на рисунке 4. Она состоит из стандартных частей: сетевого развязывающего трансформатора, выпрямителя, фильтра и стабилизатора.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 – Структурная схема блока  питания.

 

 Функциональная схема блока питания  представлена на рисунке 5

 

 

 

 

 

Рисунок 5 – Функциональная схема блока  питания.

 

1. Разработка полной принципиальной схемы

Исходя  из задания можно сделать вывод что схема коммутатора будет содержать и аналоговую и цифровую части. Так как входные импульсы имеют уровни ТТЛ,то целесообразно применять микросхемы, изготовленные по технологии ТТЛ. В устройстве будут применяться микросхемы стандартной серии – К155. [5]

Принципиальная  схема устройства приведена на чертеже  в приложении Б.

 

2. Описание схемы

 

Входной сигнал (код канала) записывается во входной регистр – защелку, предназначенный  для хранения входного кода. Запись в регистр производится при подаче на вход «запись», единичного импульса. Далее записанный вход подается на вход дешифратора, где преобразуется  в код управления транзисторными ключами. Так как на выходе дешифратора  получаем инверсный сигнал, необходимо включить инверторы перед транзисторными ключами. Далее транзистор, на котором  оказывается единица, открывается  и срабатывает реле, одновременно с этим загорается соответствующий  светодиод. Реле своими контактами замыкает цепь и осуществляет коммутацию соответствующей  цепи. 

 

Ключи на биполярных транзисторах.

Транзисторные ключи (ТК) являются одним из наиболее распространенных элементов импульсных устройств. На их основе создаются триггеры, мультивибраторы, коммутаторы, блокинг-генераторы и т.д.

В зависимости  от целевого назначения ТК и особенностей его работы схема ТК может несколько  видоизменяться, но, не смотря на это, в основе всех модификаций лежит изображенная на рисунке 6а транзисторная ключевая схема.

В ТК транзисторы  работают в нескольких качественно  различных режимах, которые характеризуются  полярностями напряжения на переходах  транзистора.

 Принято различать следующие режимы работы ключа: режим отсечки, нормальный активный, инверсный активный, режим насыщения.

 

 

 

 

 

 

 а)                                                           б)                                                   в)

Рисунок 6 – а) схема простейшего ключа; б) входные характеристики;           в) выходные характеристики.

 

Транзисторный ключ по своей схеме подобен транзисторному усилителю с ОЭ. Однако по выполняемым  функциям и соответственно режимам  работы активного элемента он существенно  отличается от усилительного каскада.

ТК выполняет  функции быстродействующего ключа  и имеет два основных состояния: разомкнутое, которому соответствует  режим отсечки транзистора (транзистор заперт), и замкнутое, которое характеризуется  режимом насыщения транзистора  или режимом, близким к нему. В  течение процесса переключения транзистор работает в активном режиме. Процессы в ключевом каскаде носят нелинейный характер.

 

Статические характеристики ТК.

Поведение ТК в статическом режиме полностью  определяется статическими характеристиками транзистора. При их анализе обычно используют семейство выходных коллекторных характеристик I_k=f(U_кэ) и семейство входных характеристик I_Б=f(U_БЭ) (рисунки 6б, 6в).

В режиме отсечки оба перехода биполярного  транзистора смещены в обратном направлении. Различают режимы глубокой и неглубокой отсечек.  В режиме глубокой отсечки к p-n-переходам приложены напряжения, превышающие (3-5) мВ. Полярность их такова, что коллекторный и эмиттерный переходы смещены в обратном направлении. В этом режиме токи электродов транзистора имеют наименьшие значения, что характеризует разомкнутое состояние ТК. В режиме неглубокой отсечки модуль напряжения на одном из переходов меньше (3-5) мВ. Оба перехода смещены в обратном направлении.  Однако токи электродов несколько больше, чем в режиме глубокой отсечки, и их  значения существенно зависят от приложенного напряжения.

В режиме насыщения оба p-n-перехода транзистора смещены в прямом направлении. При этом падение напряжения U_кэ мало и при малом токе I_к составляет  десятки мВ. На эквивалентных схемах насыщенный транзистор представляют  в виде точки, общей для электрода эмиттера, коллектора и базы. Рассмотренный ключ при его коммутации обеспечивает получение двух уровней выходного напряжения и относится к числу цифровых.

При практичном выполнении аналоговых ключей на биполярных транзисторах необходимо: гальванически развязывать между собой источник управляющего сигнала и коммутируемые цепи; включать в цепь базы транзистора ограниченный резистор, значение которого выбирается исходя из требуемого тока базы и напряжения источника Е_у; использовать компенсированные ключи с инверсно включенными транзисторами.

 

Регистры.

Регистры  – последовательные устройства приема, хранения, логических преобразований хранимого и вновь вводимого  числа, выдачи двоичных чисел.  Комбинационная часть регистров служит для ввода, вывода, преобразования кодов. По вводу  – выводу информации регистры делятся  на последовательные, параллельные, комбинированные.