Характеристики реле

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Статистические параметры и характеристики элементов автоматики

Если известны те или иные показатели элемента, то можно оценить сложность свойства этого элемента. В автоматике и телемеханике свойства элементов оцениваются разными показателями, связанными с входными и выходными величинами.

Функциональная зависимость выходной величины Y от входной X, выраженная математически или графически, называются статистической характеристикой элемента Y=f(X).

Элементы, имеющие не зависящие от времени параметры и линейные статистические характеристики, называются линейными, а имеющие нелинейные характеристики - нелинейными элементами.

По статической характеристике можно определить вид элемента (датчик, реле). Так, например, если статическая характеристика элемента непрерывна, то есть величина Y находится вопределенной непрерывной зависимости от величины X, то такой элемент называют источником первичной информации или датчиком.

Если статическая характеристика элемента изменяется скачком, то есть практически осуществляется включение или отключения при достижении входной величины X определенных, заранее установленных значений, то такой элемент называется реле.

В зависимости от природы контролируемой входной величины X реле имеет уточняющий термин: реле уровня, реле скорости, реле тока, реле напряжения и т.д.

Как датчики, так и реле являются основными элементами автоматики. Они являются основными и обязательными элементами воспринимающих блоков (устройств). Их используют также и в промежуточных, и в исполнительных блоках автоматических систем. Элементы для конкретных автоматических систем выбирают по ряду показателей, их характеризующих, - коэффициенту передачи, порогу чувствительности, погрешности.

Коэффициент передачи элемента представляет собой отношение выходной величины элемента Y к входной величине Х, то есть К= Y/Х.

У элементов с линейной статической характеристикой коэффициент передачи - величина постоянная, а у элементов с нелинейной - переменная, зависящая от Х. Если входная и выходная величины элемента имеют одинаковую физическую природу, то есть одинаковые размерности, то коэффициент передачи размерности не имеет и его называют коэффициентом усиления. При разных размерностях входной и выходной величин коэффициент передачи элемента имеет размерность. Применительно к датчику коэффициент передачи называют также чувствительностью. Чем больше К, тем больше выходной сигнал элемента при том же изменении входной величины и тем меньше нужно будет усиливать выходной сигнал до требуемого значения.

Порог чувствительности - это наименьшее (по абсолютному значению) значение выходного сигнала, способное вызвать изменение выходного сигнала. Интервал между значением входного сигнала, не оказывающего воздействия на значение выходного сигнала, и значением входного сигнала, оказывающего воздействие на значение выходного сигнала, называется зоной нечувствительности - ?Хн. Чем большие ?Хн, тем хуже элемент. Например, у электродвигателя порог чувствительности равен напряжению трогания двигателя.

Погрешность элемента появляется из-за неточной тарировки или градуировки (вследствие разброса параметров) элементов в процессе их изготовления (в пределах установленных допусков). В результате погрешности происходит отклонение характеристики элемента от заданной «идеальной» статической характеристики. Погрешность элемента может также возникнуть в результате изменения его внутренних свойств (старение, износ) или внешних факторов (воздействие температуры, влажности, питающего напряжения).

Различают абсолютную, относительную и приведенную погрешности.

Под абсолютной погрешностью элемента понимают разность между полученным Yп и действительным Y значениями выходной величины, то есть ?= Yп - Y.

Действительное номинальное значение выходной величины - это идеальное значение выходной величины при отсутствии погрешности.

Абсолютная погрешность имеет размерности выходной величины. Она может быть положительной и отрицательной.

Относительная погрешность более полное представление о нестабильности статической характеристики. Она представляет собой отношение абсолютной погрешности к действительному значению выходной величины элемента, выраженной в относительных единицах или процентах:

?0= ?/Y или ?0= (?/Y) 100%,

где ? - абсолютная погрешность; Y - действительное значение выходной величины элемента.

По мере уменьшения номинального значения выходной величины при измененном значении абсолютной погрешности относительная погрешность увеличивается.

Приведенная погрешность чаще всего характеризует элементы автоматики. Под приведенной погрешностью понимают отношение абсолютной погрешности к разности предельных значений выходной величины, выраженной в относительных единицах или процентах, то есть

, или 100%,

где Yмакс и Yмин - максимальное и минимальное значения выходной величины элемента: ? - абсолютная погрешность.

При определении погрешности элемента выходную величину измеряют несколько раз, затем определяют среднее арифметическое выходной величины, которое принимается за тарировочное значение. Выбирают наибольшую разновидность между измеренным и тарировочным значениями ?макс. Далее по формуле находят погрешность элемента:

100% +,

где разность между измеренным и тарировочным значениями;

Yмин - значение выходной величины элемента;

- погрешности (приведенные) образцовых приборов, используемых для измерения входной и выходной величин элемента при тарировке.

Погрешность, которая возникает при нормальных условиях эксплуатации, называется основной погрешностью. Условия эксплуатации элемента не всегда совпадают с нормальными, поэтому к основной погрешности элемента добавляется погрешность, называемая дополнительной.

2. Общие сведения о реле

Реле - это электрический аппарат, в котором при изменении входной (управляющей) величины Х происходит автоматически скачкообразное изменение выходной (управляемой) величины Y. Из двух величин хотя бы одна должна быть электрической.

Реле - наиболее распространенный электрический аппарат, применяемый практически в большинстве систем автоматического управления. Функции, выполняемые реле, и их конструкции чрезвычайно разнообразны. Характерные признаки реле позволяют классифицировать их по следующим факторам:

· по принципу действия (электромагнитные, магнитоэлектрические, электронные);

· по способу коммутации (контактные, бесконтактные);

· по назначению (управления, защиты, автоматизации);

· по характеру входной величины (электрические, оптические, тепловые, акустические, механические).

Основные характеристики реле определяют зависимостями между параметрами выходной и входной величины. Различают следующие основные характеристики реле.

Величина срабатывания Хср - значение параметра входной величины, при которой реле включается. При Х < Хср параметр выходной величины Y=0. При Х ?Хср величина Y скачком изменяется от Yмакс и Yмин и реле включается.

Величина отпускания Хотп - значение параметра входной величины, при котором произошло уменьшение выходного параметра с Yмакс до Yмин и реле отключилось.

Величина параметра, на которую отрегулировано реле, называется уставкой.

Коэффициент возврата Кв - отношение величины отпускания к величине срабатывания

Кв= Хотп / Хср

Время срабатывания tср - промежуток времени от момента появления импульса (входной величины) до момента скачкообразного выходной величины.

Время отпускания tср - промежуток времени от момента снятия сигнала (входной величины) до момента достижения Yмин. Это время состоит из двух частей: времени отпускания и времени гашения дуги. Представление о времени работы реле дает график на рис. 1.1. На рис. 1.1, а дана зависимость тока от времени в управляемой цепи, а на рис. 1.1, б - в управляющей цепи (в обмотке реле). Точка А - начало импульса на срабатывание, а точка Б - начало отпускания.

Помимо функции коммутации реле выполняет также функцию усиления, определяемую отношением.

Кy= Py / Pср,

где Py - максимальная мощность в нагрузке управляемой цепи; Pср - минимальная мощность входного сигнала, при котором происходит срабатывание реле.

Для реле с использованным органом в виде контактной системы максимальная мощность управления Py определяется не длительным током, который может пропустить контакт, а током, который может быть многократно отключен.

3. Логические устройства на интегральных микросхемах

Интегральные микросхемы (ИС) - это устройства микроэлектроники, состоящие их диодов, транзисторов, резисторов, конденсаторов, которые изготовлены в едином технологическом процессе, электрически соединены между собой по определенной схеме, смонтированы в общем пластмассовом или металлическом корпусе и составляют единую, нераздельную конструкцию. Одна интегральная микросхема эквивалентна электронной схеме, содержащей большое количество (десятки и даже сотни и более) дискретных элементов (диодов, транзисторов и т.д.).

Промышленностью выпускаются полупроводниковые (монолитные), пленочные и гибридные ИС. В полупроводниковых ИС элементы и соединения между ними выполняются в объеме и на поверхности полупроводника. Пленочные ИС изготавливают на диэлектрической подложке путем нанесения под вакуумом или другим способом нескольких слоев пленок определенной конфигурации и из разных материалов. В гибридных ИС на основание из диэлектрического материала, на которое нанесены методом пленочной технологии токоведущие металлизированные дорожки и площадки, монтируются необходимые элементы микроэлектроники (диоды, транзисторы, резисторы и т.д.).

Основные преимущества ИС - высокая надежность и быстродействие, малые габариты и масса, небольшая потребляемая мощность, усложнение реализуемых функций, большая нагрузочная способность.

В настоящее время выпускается значительное количество серий логический ИС. Большое распространения получили серии микросхем транзисторно-транзисторной логики (К133, К155, К511 и другие), применяемые при создании вычислительной техники и при разработке дискретных автоматических систем управления промышленными установками.

Серия логических интегральных микросхем К155 содержит 14 типов схем транзисторно-транзисторной логики. В микросхеме этой серии входят элементы, реализующие логические функции И - НЕ, И - ИЛИ - НЕ, расширители входов, триггеры. Основной элемент И - НЕ состоит из многоэмиттерного транзистора, реализующего логическую функцию И, и сложного инвертора, реализующего логическую функцию НЕ. Многоэмиттерный транзистор имеет несколько эмиттеров и одну общую базу. В серии используются транзисторы с числом эмиттеров от двух до восьми, и поэтому элемент И - НЕ выполняют на число входов n=2?8. На рис. 1.1, а приведена схема логического элемента ТТЛ с многоэмиттерными транзисторами на входе и с простым инвертором на выходе. При наличии на входах а, b, с,…, n многоэмиттерного транзистора VT1 (рис. 1.1, а) сигналов положительной полярности, соответствующих логическому сигналу 1, через коллекторный и эмиттерный переходы транзисторов VT1 и VT2 протекает значительный ток, обеспечивающий открытие VT2 и появление на его выходе сигнала 0. Если на входе один из сигналов равен 0, то в результате смещения соответствующего эмиттер-базового перехода в прямом направлении на базу транзистора VT2 подается низкий потенциал, транзистор VT2 запирается и на выходе появляется сигнал1. Схема (рис. 1.1, а) реализует функцию И - НЕ на n=2?8 входов.

В элементах серии К155 используют сложный инвертор, состоящий из двухкаскадного усилителя (VT2, VT3) и эмиттерного повторителя VT4 (рис. 10.7, б). Такой инвертор повышает нагрузочную способность и быстродействие логической схемы. Работа схемы, показанной на рис. 1.1, б аналогична рассмотренной на рис. 10.7, а. При наличии на всех входах транзистора VT1 сигнала 1 транзистор VT2 будет открыт; следовательно, откроется транзистор VT3. На выходе схемы будет потенциал, близкий к нулю. Если на один из входов подан сигнал 0, то в результате смещения соответствующего эмиттер-базавого перехода в прямом направлении на базу транзистора VT2 подается низкий потенциал, обеспечивающий запирание VT2 и соответственно VT3. Высокий потенциал, появившийся на коллекторе транзистора VT2, откроет VT4 и на выходе схемы появится сигнал 1 (VT3 заперт).

Основные электрические параметры элементов серии К155: напряжение питания +5В, напряжение выходного сигнала 1 - не менее 2,4 В, а 0 - не более 0,4 В, потребляемая мощность в зависимости от типа микросхемы 10 - 157 мВт, коэффициент разветвления по выходу m=10 (для серии К1ЛБ556 m=30).

Серия высокопомехоустойчивых логических интегральных микросхем К511 предназначена для использования в устройствах промышленной автоматики, системах числового программного управления станками и автоматических системах управления технологическими процессами. Микросхемы этой серии по сравнению с другими имеют более высокую помехоустойчивость в статическом и динамическом режимах, большую нагрузочную способность, низкое выходное сопротивление. Высокая помехоустойчивость имеет особенно большое значение в связи с их использованием при создании систем промышленной автоматики, когда возможны сильные помехи от различного электрооборудования, в условиях применения длинных линий.

Микросхемы серии К511 представляют собой систему элементов транзисторно-транзисторной логики и диодов Зенера. Основными ЛЭ является элемент, реализующий логическую функцию И - НЕ (рис. 1.1, в). Входная часть элемента 1; выполненная на транзисторах VT1 - VT4 р-n-р-типа, реализует логическую функцию И. С помощью транзисторов осуществляют также дополнительное усиление входных сигналов. Часть микросхемы II представляет собой буферный усилитель на транзисторе VT5. Часть микросхемы III - диод VD2 (диод Зенера), имеющий порог напряжения 6 В, - обеспечивает статическую помехоустойчивость. Диод VD1, ускоряющий рассасывание неосновных носителей из области базы транзистора VT5, обеспечивает динамическую помехоустойчивость.

Выходная часть микросхемы IV - выходной инвертор. Транзисторы VT6, VT7 и диод VD3 образуют активную выходную цепь. Схема предусматривает увеличение числа входов (расширение по И) путем использования расширительного входа (е). Для этого объединяют расширительные входы логических элементов или к расширительному входу подключают транзисторы р-n-р-типа по схеме, аналогичной включению входных транзисторов VT1 - VT4.

Если на все входы микросхемы подан сигнал 1 (а=1, b=1, c=1, d=1), до VT7 открыт, а выходное напряжение Uвых=Uк.э VT1 +Uдз будет иметь низкий уровень, что соответствует логическому сигналу 0. Если на один или несколько входов элемента подать 0, то VT7 закрывается и, следовательно, сигнала на выходе элемента достигает высокого уровню - 1. Выходное напряжение Uвых=Uип-Uк.э VT6 +UR5.

Серия К511 включает 11 типов микросхемы различного назначения: микросхемы, содержащие несколько элементов с различным числом входов:

· четыре 2И - НЕ, три ЗИ - НЕ, два 4И - НЕ;

· мощную логическую схему для работы на сильноточную нагрузку (до 100 мА);

· микросхемы для преобразования высоких уровней напряжений в блоке низкие уровни напряжений;

· микросхемы для обратных преобразований, триггеры, счетчики, дешифраторы для цифровой обработки информации и индикации.

Основные электрические параметры элементов серии К511:

- напряжения источника питания +15 В;

- напряжение выходного сигнала 0 - не более 1,5 В, а 1 - не менее 13,5 В;

- нагрузочная способность (коэффициент разветвления) микросхем с активном выходом m=25, пассивным m=10, у мощных микросхем m=200.

Микросхемы транзисторной логики на МДП - транзисторах (металл - диэлектрик-проводник) не содержат диодов, резисторов и конденсаторов, реализация которых осуществляется на поверхности кристалла ИС, поэтому технология изготовления ИС упрощается. Так как в качестве диэлектрика наиболее широко применяют диоксид кремния, то МДП - транзисторы часто называют МОП - транзисторами (металл - оксид - проводник). Для уменьшения порогового напряжения в качестве диэлектрика применяют нитрид кремния или комбинированную нитридно-оксидную изоляцию (МНОП - транзисторы). В ИС применяют МДП - транзисторы с проводимостью канала p - типа, n - типа и p - n - типа. На основе МДП - транзисторов создают ИС с повышенной степенью интеграции. Большинство выпускаемых в настоящее время цифровых ИС на МДП - структур основано на МДП - транзисторов с индуцированными каналами p - типов, в них канал создается (индуцируется) под действием управляющего напряжения, подаваемого на затвор.

На рис. 1.1, г приведена схема ЛЭ на МДП - транзисторов с индуцированным p - каналом, реализующая логическую функцию ИЛИ - НЕ. На затворы параллельно включенных транзисторов VT1 - VT3 подают выходные сигналы отрицательной полярности. Если на один из входов или любую комбинацию входов подан сигнал 1, то соответствующий транзистор откроется и на его выходе будет 0. Транзистор VT4 выполняет роль нагрузочного сопротивления, и поэтому его затвор подключен к стоку, что обеспечивает его открытое состояние. На рис. 1.1, д приведена схема ЛЭ на МДП - транзисторах, реализующая функцию И - НЕ. В таком элементе так же используется отрицательная логика последовательна включенных транзисторов VT1 и VT2. Если на их входы подать сигнал 1, то они откроются и на их выходе будет 0. Если хотя бы на один вход подать сигнал 0, то соответствующий транзистор будет закрыт и на его выходе будет 1.

Используя комбинации схем с параллельным и последовательным соединением активных транзисторов, можно строить логические элементы с двухступенчатой логикой, реализующие различные логические функции. Логические ИС на p - МДП - транзисторах имеет высокие уровни напряжений, большую помехоустойчивость и сравнительно невысокое быстродействие.

На p - МДП - транзисторах выпущено несколько серий ИС (К-107, К-120, К-172 и др.), состоящих из различного (от 4 до 20) количества простых микросхем. Основные электрические параметры элементов серии К-172:

Напряжение питания, В………………………………………………… 27

Напряжения выходного сигнала 1, В…………………………… - (9?20)

Напряжения выходного сигнала 0, В…………………………… 0 - 1

Потребляемая мощность, мВт…………………………………………. 80

Коэффициент разветвления по выходу, m……………………………. 15

Для улучшения характеристик логических ИС на МДП - транзисторах применяют:

МДП - транзисторы динамического типа;

МДП - транзисторы с p- и n-каналами на одной подложке, называемые комплементарными (дополняющими) КМДП (КМОП) - транзисторами;

МДП - транзисторы с n-каналами (n-МДП) и интегральную инжекционную логику (И?Л).

Рассмотрим работу ЛЭ на КМДП-транзисторах, реализующую функцию ИЛИ - НЕ (рис. 1.2, а). В таком элементе используются положительная логика. Для реализации функции ИЛИ - НЕ параллельно включаются МДП - транзисторы n - типа (VT1 и VT2) и последовательно (ярусно) - МДП - транзисторы p - типа (VT3 и VT4). Каждый из входных транзисторов n - типа связан по затвору с транзистором p - типа. При подаче на вход х1, х2 сигнала 0 транзисторы VT1 и VT2 закрываются, а открываются VT4 и VT3, в результате на выходе будет 1. Для реализации функции И - НЕ параллельно включаются транзисторы p - типа и последовательно - транзисторы n - типа. При подаче на вход схемы сигнала 1 открывается транзистор VT1 и закрывается VT4. В результате на выходе схемы формируется сигнал 0. ИС на КМДП - структурах потребляют малую мощность статическом режиме, имеет относительно высокое быстродействие, хорошую помехоустойчивость и достаточно большую нагрузочную способность. Эти схемы позволяют создавать на одном кристалле до 10000 элементов.

На КМДП - структурах созданы серии ИС: 164, К172, 564, устройство микропрограммного управления МП К588, К100 и др. Основные электрические параметры ИС серии 164 и К176:

Напряжение источника питания, В……………………………………… 3

Напряжения выходного сигнала 0, В…………………………… 0,5; 0,3

Напряжения выходного сигнала 1, В…………………………… 7,7; 8,2

Потребляемая мощность, мВт…………………….…………………. 0,5

Статистическая помехоустойчивость, В………………………………. 0,9

Коэффициент разветвления по выходу, m……………………………. 50

В последние годы появились совмещенные транзисторные логические ИС (СТЛ) или интегральная инжекционная логика (И?Л). Их изготавливают путем комбинации технологий полупроводниковых и пленочных схем.

Рассмотрим базовый ЛЭ схемы И?Л, реализующий функцию И - НЕ (рис. 1.2 б). Резистор R, задающий ток базового смещения, одновременно служит источником тока эмиттерных цепей p-n-p-транзисторов VT1 и VT2. Эти транзисторы подают инжекторный ток в базу n-p-n - транзисторов VT3 и VT4, поэтому такие схемы называются инжекторными. Область базы и коллектора соответственно n-p-n - транзисторов являются так же областями эмиттера и базы n-p-n - транзисторов, поэтому эти элементы называют совмещенными транзисторными логическими схемами. Если на оба входа х1 и х2 подан сигнал - логический 0, то на выходе будет сигнал 1. Преимуществами таких ИС - большое быстродействие при малых мощностях потребления, достижения высокой степени интеграции, возможность совмещения на одном кристалле как цифровых И?Л, так и аналоговых схем. На И?Л структурах созданы ИС серий К582, К583, К584.

реле логический интегральный схема

Литература

1. Головинский О.И. «Основы автоматики», М., Высшая школа, 1987.

2. Коновалов Л.И., Петелин Д.П. «Элементы и системы автоматики», М., Высшая школа, 1985.

3. Гордин Е.М., Митник Ю.Ш., Тарлинский В.А. «Основы автоматики и вычислительной техники», М., Высшая школа, 1978.

4. Черваскин и др. «Основы автоматики», М., Энергия, 1977.

5. Нудлер Г.И., Тульгин И.К. «Основы автоматики производства», М., Высшая школа, 1976.

6. Гиндзбург С.А., Лехтман И.Я., Малов В.С. «Основы автоматики и телемеханики», М., Энергия, 1968.

Размещено на Allbest.ru"