§ 7.2. Электронные реле

Простейшая схема электронного контактного реле на транзисторе приведена на рис. 7.1.

В исходном состоянии, т. е. в отсутствие входного сигнала, транзистор закрыт благодаря наличию источника смещения подключенного через резистор к базе и обеспечивающего отрицательный потенциал базы относительно эмиттера при самых неблагоприятных условиях. Для надежного запирания транзистора должно выполняться условие

где — обратный ток, протекающий в базе закрытого транзистора при самой высокой рабочей температуре.

Напряжение по абсолютному значению обычно выбирают, пользуясь соотношением

При подаче входного сигнала, например ступеньки отпирающего напряжения, равного , транзистор открывается и в его базовой цепи скачком возникает ток

вызывающий появление коллекторного тока.

Коллекторный ток скачком возрасти не может из-за инерционных свойств транзистора и обмотки реле. Если пренебречь инерционностью транзистора, то коллекторный ток нарастает по экспоненциальному закону

с постоянной времени — индуктивность обмотки реле), стремясь к уровню .

Рис. 7.1.

Если , то значение определяет рабочий ток реле. При транзистор входит в режим насыщения и рабочий ток реле равен коллекторному току насыщения:

Когда ток коллектора при своем нарастании достигнет значения , начнет двигаться якорь реле и через время его контакты займут рабочее положение.

Положив в формуле , получим

откуда легко определить время трогания

Учитывая, что , можно найти время срабатывания реле

В момент снятия входного напряжения Е через базу транзистора протекает обратный ток способствующий быстрому запиранию транзистора. При уменьшении коллекторного тока до значения реле возвращается в исходное состояние.

При выборе транзистора следует учитывать, что напряжение на коллекторе закрытого транзистора может существенно превышать напряжение источника питания из-за ЭДС обратного выброса, возникающей при запирании транзистора и направленной согласно с напряжением . Для устранения обратного выброса коллекторного напряжения или колебательного процесса в коллекторной цепи параллельно обмотке реле включают диод, который отпирается, если напряжение на коллекторе превысит напряжение и шунтирует обмотку реле.

Электронное контактное реле позволяет существенно уменьшить мощность управления, однако быстродействие его ограничивается временами срабатывания и отпускания электромеханического реле, являющегося его составной частью. Поэтому в быстродействующих системах автоматического управления, как правило, применяются бесконтактные электронные реле, например триггер митта, принципиальная схема которого и временные диаграммы, иллюстрирующие принцип работы, приведены на рис. 7.2, а, б. В исходном состоянии при транзистор закрыт, а 2 открыт и находится в режиме насыщения. Условие насыщения транзистора определяется соотношением

при рассмотрении триггера Шмитта индекс 2 относится к параметру транзистора , а индекс 1 — к параметру .

Предполагая, что , и пренебрегая обратным током транзистора , а также падением напряжения на переходах транзистора , условие насыщения (7.9) приближенно можно записать следующим образом:

где

— падение напряжения на резисторе от протекания тока эмиттера транзистора .

Рис. 7.2.

Условие запирания транзистора

при выполняется автоматически, так как .

При увеличении входного напряжения транзистор открывается при , т. е. когда

Напряжение является пороговым уровнем, определяющим уровень срабатывания .

При появляется коллекторный ток , приращение которого через конденсатор С передается в базу транзистора создавая запирающий базовый ток и выводя транзистор из режима насыщения.

Ток уменьшается. Это приводит к уменьшению эмиттерного напряжения и, следовательно, большему отпиранию т. е. дальнейшему возрастанию тока Таким образом, в схеме действует положительная обратная связь, создаваемая резистором . Процесс развивается лавинообразно до тех пор, пока транзистор не войдет в режим насыщения, не закроется. При этом напряжение на выходе схемы изменится от значения до .

Кроме положительной обратной связи резистор создает еще и отрицательную обратную связь, которая препятствует отпиранию транзистора . Однако действие положительной обратной связи гораздо сильнее, так как приращение эмиттерного тока за счет положительной обратной связи больше, чем за счет отрицательной

Действительно, . Следовательно, .

Для обеспечения насыщения транзистора при срабатывании триггера необходимо выполнить условие .

Обычно выбирают

Условие запирания при насыщении выполняется автоматически, так как, пренебрегая падением напряжения на переходах насыщенного транзистора , можно записать Тогда

При дальнейшем увеличении входного сигнала состояние триггера не изменяется, лишь увеличивается ток базы транзистора .

При снижении же входного напряжения до значения ток базы уменьшается настолько, что транзистор выходит из режима насыщения. Напряжение увеличивается, что приводит к отпиранию . Напряжение , при котором происходит отпирание транзистора , называется пороговым напряжением отпускания . После отпирания триггер Шмитта перебрасывается в исходное состояние, когда транзистор закрыт, открыт и насыщен. Выходное напряжение изменяется от значения до .

Напряжение всегда меньше так как определяется моментом выхода транзистора из режима насыщения и увеличим до значения, при котором будем иметь равенство

Учитывая, что

после преобразований найдем

где .

При формула (7.16) упрощается, т. е.

Если элементы схемы рассчитаны так, что получается то триггер Шммта превращается в обычный двухкаскадный усилитель с обратной связью.

Электронное реле можно выполнить и на основе операционного усилителя (ОУ) без обратной связи.

При включении такого ОУ даже небольшое входное напряжение (доли милливольт) вызывает скачкообразное изменение выходного напряжения до определенного уровня, называемого уровнем насыщения .

В зависимости от знака входного напряжения уровень насыщения может быть положительным и отрицательным. Например, в схеме так называемого детектора нуля (рис. 7.3, а) при положительном входном напряжении будем иметь отрицательный уровень насыщения и, наоборот, при отрицательном входном напряжении — положительный уровень насыщения (рис. 7.3, б).

Рис. 7.3.

Схема триггера Шмитта на ОУ с положительной обратной связью и временные диаграммы его работы приведены на рис. 7.4, а, б.

При входном сигнале , меньшем порогового напряжения срабатывания схемы , выходное напряжение определяется положительным уровнем насыщения. При выходное напряжение изменяется от до уровня и остается равным ему до тех пор, пока не станет меньше порогового напряжения отпускания . При выходное напряжение снова скачком изменяется от до .

Схема возвращается в исходное состояние. Пороговое напряжение срабатывания и отпускания можно найти по формуле

где — положительный или отрицательный уровень насыщения выходного напряжения при определении или соответственно.

Рис. 7.4.

Из формулы (7.18) видно, что пороговое напряжение существенно зависит от значения опорного напряжения .