Электронное реле на тиристорно-транзисторном ключе

Известно множество электронных реле времени, различной сложности. Часто бывают востребованы несложные устройства для включения или выключения исполнительных устройств типа электромагнитных реле или других нагрузок.

Простые аналоговые ключи, выполненные на одном или на двух биполярных транзисторах и с вре-мязадающей RC-цепочкой, имеют существенные недостатки.

Общим недостатком подобных реле является следующее: по мере разряда конденсатора происходит снижение потенциала на обкладке конденсатора, что приводит к постепенному увеличению переходного сопротивления и увеличению падения напряжения на транзисторе и его нагреву, и через некоторое время начнется постепенно снижаться напряжение питания катушки реле до тока отпускания. В оборудованиях с большими вибрациями реле может самопроизвольно отключаться на малых напряжениях питания катушки под воздействием пружины, что нарушит заданное время выдержки.

Предложенное устройство - электронное реле на тиристорно-транзисторном ключе (тиристорно-транзисторный коммутатор) направлено коммутировать выходной элемент нагрузки (катушку реле) в динамичном режиме при сравнении логических уровней 1 и 0.

Известно, что в источниках питания постоянного тока широко используются тиристоры в схемах блокировок защиты электронных устройств, включения сигнализации и т.д., но, в отличие от включения тиристора, отключение вызывает определенную трудность по управляющей цепи тиристора.

Также известно, что в источниках питания постоянного тока у тиристора, при кратковременном замыкании управляющего электрода к аноду, тиристор переходит в режим работы диода, но, в отличие от диода, при постепенном снижении рабочего тока меньше удерживающего, тиристор имеет свойство закрываться постоянным значением тока. В предложенном устройстве электронного реле рассмотрены два способа отключения тиристора.

Способ 1

На примере рис. 1, рис. 2 представлены варианты схемы электронного реле, где отключение тиристора в источнике постоянного тока производиться через управляющий электрод.

Анод тиристора подключен в цепь положительного смещения базы ключа транзистора. Рабочий ток через тиристор близкий току удерживания, что облегчает его отключение по управляющей цепи незначительными импульсами обратного напряжения при переходе через нулевое значение.

Электронное реле с транзисторным ключом р-п-р проводимости (способ 1)

Рис. 1. Электронное реле с транзисторным ключом р-п-р проводимости (способ 1).

Электронное реле с транзисторным ключом п-р-п проводимости

Рис. 2. Электронное реле с транзисторным ключом п-р-п проводимости.

Способ 2

На примере рис. 3, рис. 4 и рис. 5 представлены варианты схемы электронного реле, где отключение тиристора производиться при токе меньше удерживания. База ключа транзистора подключается положительным смещением между катодом диода и анодом тиристора.

Электронное реле с транзисторным ключом р-п-р проводимости (способ 2)

Рис. 3. Электронное реле с транзисторным ключом р-п-р проводимости (способ 2).

Ток, питающий тиристор, распределяется на два плеча. Одно плечо - это установочный ток тиристора через цепь базы смещения ключа транзистора, который меньше тока удерживания. Второе плечо - питающий вход, который подключен к транзистору времязадающей цепочки, которая управляет током включения и отключения тиристора.

Электронное реле с задатчиком тока

Рис. 4. Электронное реле с задатчиком тока.

Электронное реле на симисторной оптопаре

Рис. 5. Электронное реле на симисторной оптопаре.

Рассмотрим подробнее оба способа. На рис. 1 приведено устройство электронного реле, содержащее источник питания, к которому подключен тиристорно-транзисторный коммутатор и времязадающая цепочка.

Тиристорно-транзисторный коммутатор состоит из переключающего тиристора VS1 и транзисторного ключа VT2, к которому подключена нагрузка катушка реле К1.

Времязадающая цепочка состоит из накопительного конденсатора С1, токоограничивающих резисторов R1, R2 и усилителя на одном транзисторе VT1.

Коллектор транзистора VT1 подключен к “+” источника питания, а общая точка эмиттера транзистора VT1 соединяется с базой через цепочку обратной связи, построечный резистор R4 типа СПЗ-3 или другой, токоограничивающий резистор R3 и стабилитрон VD1.

Общая точка эмиттера VТ1 также соединяется с тиристорно-транзисторным коммутатором через конденсатор С2 и через элементы диод VD2, резистор R5, которые подключены к общей точке управляющего электрода тиристора VS1 и резистора R6.

Анод тиристора VS1 подключен к общей точке резисторов R7 и R8, которые создают положительное смещение на базе транзисторного ключа VТ2 р-п-р проводимости, эмиттер которого подключен к источнику питания “+”, а коллектор подключен к “-” через катушку реле К1.

Могут подключаться следующие типы реле: ПЭ-23, РПУ (68...75 Ом сопротивление катушки); РЭС6 - паспорт РФО.452.104; РЭС22 - паспорт РФ4.500.129П2; РЭС32 - паспорт 4.500.341. Сопротивление данных катушек в среднем состав-ляет150...210 Ом.

Резистор R4 - регулятор выдержки времени. Конденсатор С2 служит для улучшения пусковых и отключающих характеристик тиристора.

Диод VD2 служит для отсечки минимального уровня напряжения на эмиттере транзистора VT1. Благодаря этому повышается быстродействие перехода от положительного напряжения к отрицательному через нулевой порог на управляющем электроде, что приводит к переключению тиристора в закрытое состояние. Роль ключевого переключателя выполняет тиристор VS1 типа КУ101Е или с другим буквенным обозначением.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии при включении источника питания реле К1 отключено. При нажатии кнопки SB1 включается цепь заряда конденсатора С1.

Положительное напряжение на базе откроет транзистор VT1. Импульс заряда конденсатора С2 и ток через элементы диод VD2, резистор R5 откроют тиристор VS1, анод тиристора примет низкий потенциал, а база транзистора VT2 получит отрицательное смещение, которое откроет полностью переход транзистора эмиттер-коллектор и включит реле К1.

При отпускании кнопки SB1 конденсатор С1 медленно начнет разряжаться при достижении на эмиттере транзистора VT1 напряжения в пределах 1... 1,5 В, а на катоде диода VD2 оно будет еще меньше. На управляющем электроде при переходе от положительного состояния в отрицательное возникнет импульс обратного тока, который переключит тиристор VS1 в закрытое состояние.

База транзистора VT2 перейдет в положительное смещение и транзистор закроется, реле К1 отключится. Стоит еще раз обратить внимание, что такое переключение возможно только тогда, когда рабочий ток на тиристоре близкий току удерживания, а при большом рабочем токе тиристора отключение вызывает определенную трудность по управляющей цепи в источнике питания постоянного тока.

Время выдержки с данными номиналами элементов составляет 0...20 минут, а при установке конденсатора С1 емкостью 1000 мкФ - более 40 минут, погрешность не более 5%.

С источниками питания 24 В время выдержки увеличится в 2 раза, для этого следует установить конденсаторы С1, С2 номиналом на 40 В и подобрать соответственно токоограничивающие резисторы. На рис. 6 приведена печатномонтажная плата электронного реле.

Печатная плата (способ 1)

Рис. 6. Печатная плата (способ 1).

Устройство электронного реле (рис. 2) отличается от устройства на рис. 1 тем, что коммутационный блок установлен на транзисторе VТ2 с п-р-п проводимостью.

Реле К1 с включением источника питания будет включено, а с нажатием кнопки SB1 реле К1 будет отключаться на установленное время выдержки.

Порядок наладки

Минимальный ток удержания тиристора (в данном случае на тиристоре КУ101Е) составил 3,32 мА,поэтому ток, питающий тиристор VS1 через резисторы R7 и R8 (рис. 1) цепи базы транзистора VТ2, должен быть выше и устанавливается подбором этих резисторов.

В случае, когда тиристор имеет больший удерживающий ток, особенно с транзисторным ключом VТ2 п-р-п проводимостьи, подключается дополнительное балластное сопротивление, можно с построечным резистором по принципу схемы на рис. 4.

Здесь имеется в виду, что в транзисторе р-п-р проводимости, в отличие от транзистора п-р-п проводимости, при открытом состоянии тиристора протекает ток по цепи эмиттер-база и через открытый тиристор, величина которого зависит от токоограничивающего резистора.

Далее заряжаем конденсатор С1. Когда реле К1 включится, замкнем цепь конденсатора С1, произойдет разряд конденсатора. Реле К1 должно быстро отключиться, это следует повторить несколько раз. На рис. 3 приведен альтернативный вариант электронного реле, с улучшенными возможностями.

Включение тиристора производиться по току управляющего электрода током больше удерживания, а отключение - по току ниже удерживающего. Устройство отличается от предыдущей схемы тем, что база транзисторного ключа VТ2 подключается между анодом тиристора VS1 и катодом диода VD2, а управляющий электрод тиристора VS1 подключен к аноду диода или подключается к эмиттеру транзистора VТ1 через резистор R7.

Возможны другие пути подключение управляющего электрода, к примеру, через диод, стабилитрон, конденсатор по отдельности или смешанно, или дополняются резистором. Таким образом, отсекается база ключа транзистора VТ2 от связи с “-”, в том числе через управляющий электрод тиристора VS1.

На тиристоре КУ101Е при многократных испытаниях были установлены следующие параметры: ток удерживания равнялся 3,32 мА, при меньшем токе тиристор отключался. Минимальный общий ток, при котором тиристор открывался вновь, составлял 4,2 мА.

Разница напряжения между отключением и включением тиристора в общей точке эмиттера VТ1 составляла 0,7 В. (Стоит отметить, что этот принцип можно использовать в следящих устройствах.) Время выдержки при тех же номиналах одинаково со схемой на рис. 1, а погрешность - Устройство работает следующим образом.

При нажатии кнопки SB1 включается цепь заряда конденсатора С1. Положительное напряжение на базе откроет транзистор VТ1. Ток на управляющем электроде вызовет открытие тиристора VS1, анод тиристора примет низкий потенциал, а база транзистора VТ2 получит отрицательное смещение, которое откроет полностью переход транзистора эмиттер-коллектор и включит реле К1.

При отпускании кнопки SB1 конденсатор С1 медленно начнет разряжаться при достижении на эмиттере транзистора VТ 1 минимального напряжения до 1,5 В, и при общем токе менее 3,32 мА тиристор VS1 переключиться в закрытое состояние.

База транзистора VТ2 перейдет в положительное смещение и транзистор переключится в закрытое состояние, реле К1 отключится. На рис. 7 приведена печатно-монтажная плата электронного реле.

Печатная плата (способ 2)

Рис. 7. Печатная плата (способ 2).

Порядок наладки 2

Для достижения максимальной выдержки времени устанавливается установочный ток от цепи смещения базы транзистора VT2 через тиристор VS1 подбором резисторов R8, R9. Ток замеряется миллиамперметром.

Общая точка резисторов R8 и R9 подключается к “-” через диод, который служит для компенсации учета поправки перехода анод-катод тиристора VS1. Методом подбора резисторов R8 и R9 устанавливается рабочий ток максимум до 2,7...2,9 мА (около 90%) от общего тока, но не доводится до начального тока отключения тиристора VS1, иначе тиристор за счет тока базы может не закрыться. Далее подбирается резистор R6 цепи рабочего тока питания тиристора от эмиттера транзистора VТ1 времязадающей цепи.

Данный расчет составляет при достижении через резистор R6 тока менее 0,42 мА (около 10% тока удерживания тиристора), тиристор VS1 закроется. Далее заряжаем конденсатор С1. Когда реле К1 включится, замкнем цепь конденсатора С1, произойдет разряд конденсатора.

Реле К1 должно быстро отключиться, это следует повторить несколько раз. Примечание: при использовании транзисторов VТ2 других типов с малыми токами базы, а особенно транзистора п-р-п проводимости, когда ток удерживания тиристора больше 8 мА, рекомендуется дополнительно через тиристор VS1 подключать балластное сопротивление по схеме на рис. 4.

Практика испытаний показала, что тиристоры КУ101Е и КУ101Г имеют токи удерживания 2...5 мА, а КУ101А - в основном более 8 мА. Также испытания производились на симисторах, в частности ТС6-10, у которого удерживающий ток равнялся 5 мА.

Устройство на рис. 4 отличается от устройства на рис. 3 тем, что дополнительно анод тиристора VS1 подключается к источнику питания “+” через задатчик тока из элементов подстроечного резистора R8 и токоограничивающего резистора R9. Элементы задатчика тока являются балластными сопротивлениями, которые устанавливаются при больших токах удерживания тиристора.

Регулятором R8 настраивается ток тиристора в широком диапазоне, который также изменяет время выдержки реле. Основное назначение задатчика - подбор установочного тока (при условии 90% тока удерживания) через тиристор, а остальной ток удерживания (10%) через времязадающую цепочку должен сохраняться.

Диод VD3 запирает от дополнительной связи с “+” базу ключа транзистора VТ2 через элементы задатчика тока. Также диод VD3 улучшает динамику коммутации ключа транзистора VТ2.

Второе отличие устройства (рис.4)от устройства(рис.3)заключается в том, что коммутационный блок установлен на транзисторе VТ2 с п-р-п проводимостью. Реле К1 с включением источника питания будет включено, а с нажатием кнопки SB1 реле К1 отключается на установленное время выдержки. На рис. 5 приведено устройство электронного реле на симисторной оптопаре U1 типа МОС3063 или МОС3082.

Проведенные испытания показали, что ток удерживания данных симисторов составляет в пределах 0,4...0,7 мА, а в схеме описания минимальный ток удерживания на оптопаре U1 МОС3063 составил 0,55 мА.

При таком подключении гальваническая развязка теряется между управляющим светодиодом и выходом ключа оптопары, а принцип работы аналогичен триодному тиристорному переключателю.

Диод VD4 запирает базу транзистора VТ2 от связи с “- ” через светодиод оптопары при закрытом состоянии ключа оптопары, стабилитрон VD3 устанавливается для компенсации падения напряжения на переходе управляющего светодиода, т.е. увеличивается общее падение напряжения на переходе, который не должен быть меньше цепи перехода ключа симистора. Параметры стабилитронов могут изменяться на другие номиналы.

Для открытия ключа фотосимистора в источнике постоянного тока достаточен кратковременный импульс рабочего тока на светодиоде оптопары, и ключ переходит в режим диода. С установкой стабилитрона VD3 при достижении определенного напряжения на эмиттере транзистора VТ1, ток через светодиод оптопары закрываться, ток будет протекать только по большому сопротивлению цепи ключа оптопары, что дает увеличение времени выдержки реле.

Конденсатор С2 служит для дополнительного импульсного включения симистора U1, что особенно необходимо при увеличении номинала токоограничивающего резистора R5 и стабилитрона VD3.

Стабилитрон VD2 служит для защиты светодиода оптопары, максимально допустимый ток которой достигается при напряжении 1,5 В на переходе управляющего светодиода ключа оптопары.

Данный фотосимистор имеет очень малый удерживающий ток, поэтому схема выходного ключа транзистора выполнена на составном транзисторе VТ2 и VТЗ с большим входным сопротивлением. Принцип,наладка и условия работы аналогичны описанию триодного тиристора.

При тщательном подборе элементов с данным номиналом конденсатора С1 можно добиться гораздо большей выдержки времени с подбором резисторов R6 и R8. Время выдержки на этой схеме составило 0... 40 минут.

При увеличении номинала резистора R6 выдержка времени увеличивается, но погрешность может возрасти. При многократных испытаниях погрешность в среднем составила в пределах 2%.

Эта погрешность зависит не только от самого фотосим-истора, но и от элементов схемы. Основное достоинство ключа оптопары на данном симисторе отличается крутой характеристикой, т.е происходит мгновенное отключение катушки реле с напряжения питания до нуля.

Схема электронного реле на транзисторной оптопаре

На рис. 8 приведена схема электронного реле на транзисторной оптопаре U1 типа РС817 (SHARP).

Электронное реле на транзисторной оптопаре

Рис. 8. Электронное реле на транзисторной оптопаре.

Устройство работает следующим образом. При кратковременно нажатии копки SB1 зарядится конденсатор С1. Положительное напряжение на базе откроет транзистор VТ1, “+” эмиттера запитает управляющий светодиод оптопары U1, который откроет транзистор оптопары и переведет базу транзистора VТ2 в отрицательное смещение.

Транзистор VТ2 откроется и включит катушку реле К1. По мере разряда конденсатора С1 будет снижаться потенциал на нем, что приведет к снижению напряжения на эмиттере транзистора VТ1, и ток через светодиод оптопары U1 уменьшится. Переходное сопротивление на транзисторе оптопары коллектор-эмиттер возрастет.

Ток базы транзисторного ключа VТ2 уменьшится, это приведет к снижению напряжения на коллекторе. Ток через катушку реле будет постепенно уменьшаться, и при токе меньше удерживающего реле К1 отключится.

Это является общим основным недостатком транзисторного переключателя. Время выдержки при одинаковых номиналах составляет до 15 минут - это ниже, чем на тиристорах.

Примерно 10 минут полное напряжение на катушке реле К1 составляет 11,5 В, а в течение 5 минут происходит постепенное снижение напряжения до тока отпускания, причем полное снижение напряжения до нуля длиться еще несколько минут.

Все испытания проводились на реле типа ПЭ23, сопротивление обмотки катушки реле составляет 68 Ом. На рис. 9 приведена принципиальная схема устройства для определения величины тока удерживания тиристора.

Устройств для определения величины тока удерживания тиристора

Рис. 9. Устройств для определения величины тока удерживания тиристора.

Оптопару U1 или триодный тиристор подключаем по данной схеме. Цепь разрыва питания ключа оптопары подключаем между токоограничивающим резистором R2 и плюсом источника питания миллиамперметра тестера. Для цепи питания 12 В и с токоограничивающим резистором R2 сопротивлением 10 кОм достаточно установить положение переключателя тестера на 3 мА.

Включаем SA1, в схему подается питание, при кратковременном нажатии кнопки SB1 откроется ключ оптопары U1. Размыкаем SA1 цепи питания “+” источника. Постепенно конденсатор С1 будет разряжаться через цепь ключа оптопары, и при меньшем токе удерживания симистор оптопары закроется.

По резкому отклонению стрелки миллиамперметра определяем границу минимального тока удерживания симистора. Аналогично проводиться проверка триодного тиристора. Светодиод HL1 служит для контроля.

При напряжении источника питания 12 В и емкости конденсатора С1 до 5000 мкФ, при этом изменяя номинал токоограничивающего резистора R2, можно определить (зафиксировать) медленным отклонением стрелки прибора тестера момент отключения тиристора с токами удерживания до 30 мА.

При большем удерживающем токе (к примеру, тиристор КУ202 со средним током 30...50 мА) удобнее определять с источником питания 24 В.

A. Алексеев, B. Алексеев. РМ-04-17, 05-17.

Литература: 1. Я.С. Кублановский. Тиристорные устройства. - Радио и Связь, 1987 г.

1 55 Коммутаторы нагрузки, ключи
реле реле времени коммутатор нагрузки
Написать комментарий:

cashback