Электронные, полупроводниковые и фотоэлектрические реле

В схемах автоматики широко применяют устройства на ламповых и полупроводниковых триодах, работающие в релейном режиме с контактными и бесконтактными выходами.

Электронные (полупроводниковые) контактные реле. Такие реле представляют собой сочетание электронного (полупроводникового) усилителя и выходного электромеханического реле. На рис. 3.40 показана схема такого реле, состоящая из полупроводникового усилителя, на выходе которого включена катушка электромагнитного реле K. Усиление входного сигнала повышает чувствительность реле.

Рис. 3.40. Электронное реле с контактным выходом

Бесконтактные транзисторные реле. В качестве таких релейных устройств можно использовать двухкаскадные транзисторные усилители постоянного тока с положительной обратной связью. У обычного двухкаскадного усилителя статическая характеристика U _вых = j(U _вх)имеет линейный характер, если напряжение на выходе при изменении сигнала на входе изменяется плавно без скачков. При достаточно глубокой положительной обратной связи такой усилитель приобретает релейную характеристику. Возможно введение обратной связи (ОС) по току (эмиттерная ОС) и обратной связи по напряжению (коллекторная ОС).

В усилителе с эмиттерной ОС (рис. 3.41, а), являющемся транзисторным реле, обратная связь между VT2 и VT1 осуществляется через резистор R _эвключенный в эмиттерную цепь. При этом падение напряжения на R _э прикладывается к входу первого каскада. При отсутствии входного сигнала (U _вх = 0) транзистор VT1 заперт, а VT2 открыт и находится в состоянии насыщения. Выходной сигнал имеет минимальное значение, т. е.

.

При подаче входного сигнала отрицательной полярности и при достижении им величины параметра срабатывания транзисторного реле (U _ср транзистор VT1 отпирается, а VT2 запирается. Транзисторное реле скачкообразно переходит в новое состояние (рис. 3.41, б), при котором напряжение на выходе равно напряжению источника + Е _к. Увеличение входного сигнала не изменяет состояние схемы. При уменьшении входного сигнала U _вхсостояние транзисторного реле сначала не изменяется. Однако при U _вх = U _взвпроисходит скачкообразное изменение состояния бесконтактного реле. В результате схема возвращается в исходное состояние.

В схеме с коллекторной обратной связью (рис. 3.41, в)в связи с отсутствием сопротивления ОС в общей эмиттерной цепи и входные сигналы могут иметь меньшую величину. В этой схеме обратная связь осуществляется с помощью электрической связи коллектора выходного транзистора VT2 с базой транзистора VT1. При отсутствии входного сигнала (U _вх = 0)транзистор VT1 заперт, а VT2 открыт и на выходе сигнала не будет (U _вых = U _вых0). При подаче U _вхтранзистор VT1 откроется и на базу транзистора VT2 будет подан положительный потенциал, который обеспечит запирание VT2. В результате напряжение на выходе близко к напряжению источника питания (рис. 3.41, в). Рассмотренные схемы являются основой триггерных схем.

Статический триггер представляет собой переключающее устройство, имеющее два устойчивых состояния. Триггеры применяют в качестве запоминающих устройств, в цифровых счетчиках, для управления различными ключевыми схемами и т. д. Триггер на рис. 3.41, г является симметричным, так как состоит из двух усилительных каскадов с одинаковыми параметрами. Он может работать в режимах раздельных входов или общего входа. В режиме раздельных входов переключение триггера в новое устойчивое состояние осуществляется подачей запускающих импульсов одинаковой полярности поочередно на раздельные входы (Bx1 и Вх2 или подачей импульсов изменяющейся полярности на один и тот же вход.

а	б
в	г

Рис. 3.41. Бесконтактные транзисторные реле

В режиме общего (счетного) входа Вх перевод триггера в новое устойчивое состояние осуществляется подачей запускающих импульсов одной полярности одновременно на оба транзистора. Если в исходном состоянии транзистор VT2 заперт, то напряжение на коллекторе транзистора VT2, а следовательно, на выходе Вых2 близко к + Е _к.Так как при этом транзистор VT1 открыт, то напряжение на его коллекторе и, следовательно, на выходе Вых1 имеет минимальное значение, которое принимается за нуль. При подаче на Bx1 запускающего импульса положительной полярности транзистор VT1 закроется, а VT2 откроется. Переключение триггера из одного состояния в другое происходит за время, не превышающее единиц микросекунд. Поэтому изменение потенциалов на выходах триггера имеет характер перепадов напряжений. Эти напряжения, являющиеся выходными, используются для управления различными ключевыми схемами, другими триггерами и т. д.

Фотоэлектрические реле. Такие реле состоят из фотоэлемента (воспринимающего элемента), усилителя и выходного электромеханического реле. Фотоэлемент преобразует падающий на него световой поток в изменение величины сопротивления или ЭДС.

Фотореле применяют в системах автоматического контроля и регулирования различных величин и параметров (температуры, уровня, размеров и т. д.), изменение которых приводит к изменению светового потока. Наряду с фотоэлементами с внешним фотоэффектом (вакуумные, газонаполненные) в системах автоматики широко применяют фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы), а также вентильные фотоэлементы (фотодиоды и фототранзисторы).

На рис. 3.42, а приведена схема фотореле с фоторезистором ФС и релейными усилителями K1 и K2, срабатывающая при освещении ФС. В цепь фоторезистора включено слаботочное реле постоянного тока K1, выполняющее функцию промежуточного усилителя, которое управляет мощным выходным реле K2. При затемнении фоторезистора ФСего сопротивление велико и поэтому ток в цепи катушки реле K1 мал. Реле K1 находится в исходном состоянии. При освещении Φ С его сопротивление резко уменьшается (в десятки и сотни раз), что приводит к возрастанию тока в цепи катушки K1 и последовательному срабатыванию K1 и K2.

Фоторезисторы имеют малые габариты и массу, высокуючувствительность и надежность. Однако они более инерционны, чем другие фотоэлементы. При использовании в фотореле в качестве выходных элементов электромеханических реле, время срабатывания которых значительно, инерционность фоторезисторов не имеет существенного значения. В то же фоторезисторы имеют большую мощность рассеяния, что позволяет получать простые и надежные схемы фотореле.

В схеме фотореле с фотодиодом (рис. 3.42, б) в качестве промежуточного усилителя используют полупроводниковый усилитель на транзисторе VT, в коллекторную цепь которого включена катушка выходного реле K. При затемнении фотодиода ФД, включенного в непроводящем направлении, его сопротивление велико и, следовательно, транзистор VT заперт. Выходное реле при этом обесточена и сигнал на выходе отсутствует. При освещении фотодиода его сопротивление в непроводящем направлении уменьшается во много раз, что обусловливает возникновение тока в цепи базы. Транзистор отпирается и возникающий ток в коллекторной цепи обеспечивает срабатывание выходного реле и появление сигнала на выходе. Диод VD обеспечивает защиту транзистора VT от перенапряжений при его запирании. Необходимо отметить, что фотодиод, так как и фототранзистор, можно включить в схему без внешнего источника питания. В этом случае в фотоэлементе под действием нового потока возникает ЭДС. Фотодиоды, как и все полупроводниковые элементы, достаточно надежны, имеют малые размеры и большую чувствительность, чем фотоэлементы и фоторезисторы.

а б

Рис. 3.42. Схемы фотореле

Фототранзисторы представляют собой полупроводниковые приборы трехслойной структуры с двумя р-n -переходами. Они обладают наибольшей из всех фотоэлементов чувствительностью. Широко применяют двухполюсную схему включения фототранзистора по действию аналогичную фотодиоду. При использовании всех трех выводов фототранзистора он приобретает новые свойства, дающие возможность подавать на вход как световой, так и электрический сигналы.