книги / Релейная защита на унифицированных полупроводниковых элементах

ментов релейной защиты и электроавтоматики для включения и отключения коммутационных аппаратов, ключей в преобразователях постоянного напряжения и пр. Эти диоды выпускаются на рабочие токи от еди­ ниц до нескольких сот ампер и на рабочие напряжения до сот вольт и в отличие от мощных транзисторов не нуждаются в дополнительной мощности для поддержа­ ния запертого или отпертого состояния.

Переключающие диоды изготавливаются на основе кремниевой пластинки, в которой создается четырех­ слойная полупроводниковая структура с проводимостью р-н-р-н-типа, содержащая три р-п перехода (рис. 11,а). В рабочем режиме плюс напряжения на такой полупро­ водниковый прибор подается на p-область (pi), назы­ ваемую анодом. Внешний вывод крайней п-области (п2) называется катодом. У управляемых переключающих диодов — тринисторов ко второй p-области (pz) подклю­ чается управляющий электрод (У), на который для пе­ ревода диода в режим пропускания тока подается поло­ жительный управляющий сигнал. У неуправляемых переключающих диодов —динисторов — такой электрод отсутствует. Когда на переключающий диод (подано внешнее напряжение, недостаточное для его отпирания, и ток управления равен нулю (рис. 11,а), оно почти полностью прикладывается к запертому среднему р-п переходу /72, так как для крайних р-n переходов П\ и Я3 это напряжение является отпирающим. При этом через диод проходит незначительный то к /ут (рис. 11,6), при­ мерно равный обратному току запертого перехода Я2. Диод заперт.

При увеличении внешнего напряжения до значения Явил в запертом переходе /72 наступает процесс лавин­ ного пробоя, приводящий к появлению новых носителей зарядов, дырок и электронов, в примыкающих областях с проводимостью п\ и pz. Одновременно начинают про­ являться усилительные свойства отпертых переходов П\ и Я3, Для которых области пх и р2 являются базами, а Р\ и Пг— эмиттерами. Появление дополнительных носи­ телей зарядов в базах, обусловленных пробоем перехо­ да Я2, влечет за собой приток дырок и электронов из эмиттеров и дальнейшее лавинообразное нарастание тока через диод. Падение напряжения на нем резко снижается примерно до 1 В. Диод отпирается. В даль­ нейшем ход вольт-амперной характеристики переклю­

31

чающего диода (ветвь БВ) совпадает с прямой ветвью характеристики обычного диода. Запирание переклю­ чающего диода наступает при снижении тока через него до значения / ВЫКл. Управляемый переключающий диод (тринистор) открывается при подаче положительного напряжения на управляющий электрод. В этом случае повышение напряжения до UBKJI не требуется. Значение тока управления, при котором вольт-амперная характе­ ристика тринистора соответствует пунктирной линии, продолжающей ветвь БВ, называют током спрямле­

ния /спр-

Система обозначений переключающих диодов приня­ та такой же, как для обычных диодов. Переключающие диоды, выпуск которых начался до 1964 г., обозначают­ ся буквой Д и трехзначным числом: динисторы неболь­ шой мощности имели обозначение Д227А — Д227И, тринисторы Д235А — Д236Г и Д238А — Д238Е. По новому ГОСТ 1086-64 обозначения переключающих диодов строятся так же, как и для обычных диодов, но вместо буквы Д вводятся буква Н для обозначений динисторов и буква У для тринисторов. Приняты такие числовые обозначения: для приборов малой мощности 101—199, средней мощности 201—299 и большой мощности 301—399.

Пример обозначения: КУ202Л, тринистор кремние­ вый, средней мощности, разновидность Л. Он рассчитан на пропускание прямого тока до 10 А и рабочее напря­ жение до 1000 В. Для регулирования скорости электро­ двигателей, регулирования тока возбуждения синхрон­ ных машин и управления выключателями промышлен­ ность выпускает специальные силовые тринисторы на рабочие токи до нескольких сот ампер. Силовые трини­ сторы имеют свою систему обозначений (ВКДУ, Т, Т2, ТЛ). Они снабжаются радиаторами или (при необходи­ мости) специальными устройствами водяного или воз­ душного охлаждения.

К основным параметрам переключающих диодов от­

носятся отмеченные выше напряжения включения ток утечки /ут, ток спрямления / СПр, наибольший прямой

ток /пр. макс и ТОК ВЫКЛЮЧеИИЯ / вынл-

Кроме указанных параметров в число основных вхо­ дят: падение напряжения на открытом диоде UDст, из­ меренное при /пр. макс; время включения Тбкл и время вы­ ключения Твыкл переключающего диода.

32

Время включения тВь-л — это время от момента пода­ чи открывающего импульса до момента, когда напряже­ ние на приборе снизится до заданного уровня. Это время невелико и для большинства диодов составляет от нескольких единиц до десятков микросекунд.

Время выключения т ВЫк л — это минимальное время, в течение которого на прибор должно подаваться напря­ жение, выключающее его. Это время в 10—20 раз боль­ ше времени включения.

Классификационным параметром для динисторов служит напряжение включения £/вкл> а для тринисторов допустимое прямое напряжение, от которого прибор ,не может самопроизвольно сработать.

В аппаратуре релейной защиты в основном приме­ няются управляемые переключающие диоды, которые часто называют общим термином— тиристорами.

5. ОСНОВНЫЕ СХЕМНЫЕ УЗЛЫ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ,

ПРИМЕНЯЕМЫЕ В УСТРОЙСТВАХ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

И АВТОМАТИКИ

Однокаскадный усилитель постоянного тока. Простей­ ший однокаскадный усилитель на транзисторе типа р-п-р, включенном по схеме ОЭ, показан на рис. 12. Ра­ бота усилителя рассматривается в предположении, что сопротивление нагрузки на выходе много больше сопро­ тивления резистора в коллекторной цепи RK- В зависи­ мости от тока управления транзистор усилителя может находиться в одном из трех состояний: отсечки, насы­ щения или активном.

Указанные состояния транзистора принято характе­ ризовать зависимостью коллекторного тока /к от тока управления (базы) /у(/б)-

*В режиме отсечки транзистор заперт и по цепи пере­ ход коллектор — база, резистор RK проходит только не­ большой обратный ток коллектора /«о- Падение напря­ жения на сопротивлении резистора RK невелико, и на­ пряжение на выходе усилителя практически равно напряжению питания UD. База транзистора соединена с источником питания цепи управления и на нее подает­ ся управляющее напряжение 17у, вызывающее ток /у.

В этом режиме управляющее напряжение положительна относительно эмиттера. При снижении этого напряжс ния ток управления сначала уменьшается, а затем поел изменения знака управляющего напряжения имеет нг правление, указанное на рис. 12. Транзистор переходи 4 в активный режим. Ток коллектора начинает расти npi - порциоиально величине тока управления: = р/б-

Одновременно за счет увеличения падения напряжс ния на сопротивление резистора /?к снижается напряже

Рис. 12. Однокаскадиый усилитель постоянного тока.

ние на выходе. При полном отпирании транзистора ток коллектора приобретает наибольшее значение, примерно равное / к.макс = UDIRk. Если продолжать и дальше ув< личивать ток управления, ток коллектора расти не б>- дет. Наступает режим насыщения. Напряжение на вь - ходе усилителя в таком режиме становится равным на­ пряжению насыщения транзистора и обозначается U..

собой степень насыщения. Как видно из рис. 12, актин | ный режим однокаскадного усилителя обеспечиваете i при изменении тока управления от /у. мин До /у. макс.

Транзисторный переключатель. В схемах релейной защиты однокаскадные усилители широко применяются в качестве ключей или переключателей (рис. 13). Пр^* этом транзистор усилителя может находиться только

34

в одном из двух состоянии: отсечки или насыщения. Со­ ответственно выбираются и сигналы управления. При отсутствии управляющего сигнала на базу транзистора подается положительное относительно эмиттера напря­ жение— напряжение смещения UCM• Транзистор нахо­ дится в состоянии отсечки: /7ВЫХ= [7П. Для отпирания транзистора на его базу подается управляющий сигнал со знаком, противоположным знаку Uc

Работа транзистора в режиме переключения являет­ ся аналогом работы контакта электромеханического

К таким элементам относятся источники питания, стаби­ лизаторы, усилители, в том числе релейные (релейные элементы), нуль-индикаторы, различные выпрямители, транзисторные переключатели, бесконтактные реле вре­ мени и т. п. Наиболее часто в схемах релейной защиты используется серия элементов типа «Логика-Т», разра­ ботанные для промышленной автоматики. В последнее время в серию элементов «Логика-Т» введены элементы, специально созданные для релейной защиты. К числу

этом считают, что если транзистор переключателя нахо­ дится в состоянии отсечки, то выходной сигнал равен 1,

—4 до —12 В, а в качестве нулевого сигнала напряже­ ние от 0 до 1 В.

Нагрузку, подключаемую на выходе усилителя, на­

включаемую в коллекторную цепь выходных транзисто­ ров элементов серии «Логика-Т», называют п о с л е д о ­ в а т е л ь н о й и единицей такой нагрузки считают

Рис. 14. Элемент Т101.

активное сопротивление 2,2 кОм. Следует иметь в виду, что внешняя последовательная нагрузка оказывается включенной параллельно коллекторному сопротивлению выходного транзистора.

Одним из наиболее употребительных элементов этой серии является т р а н з и с т о р н ы й м о д у л ь Т101 (рис. 14). Он содержит два независимых переключателя на транзисторах типа МП-42А.

При нулевом сигнале на любом из входов к базе соответствующего транзистора приложено положитель­ ное по отношению к эмиттеру напряжение, снимаемое с делителя Ru R2 или /?5. Re. При этом транзистор за­ перт и выходное напряжение близко к — 12 В. На каж­ дый из транзисторов входные сигналы могут подавать­

имеется один прямой вход (зажим /). При подаче на любой из входов единичного сигнала соответствующий транзистор открывается и сигнал на выходе снижается (не свыше 0,5 В). При нулевом сигнале (0) на входе

36

на выходе получается сигнал, равный единице (1), и наоборот, при единичном сигнале на любом из входов на выходе возникает нулевой сигнал. Такая связь между входным н выходным сигналами называется инверсной, а само устройство — и н в е р т о р о м . Инвертор реали­ зует логическую операцию НЕ.

Как уже отмечалось, переключатель обладает спо­ собностью изменять свое состояние при подаче управ­ ляющего сигнала хотя бы на один из имеющихся у него входов. Такое исполнение входной части устройства реализует логическую операцию ИЛИ. В соответствии с изложенным элемент Т101 именуют еще элементом ИЛИ—НЕ.

Нагрузочная способность каждого из транзисторных переключателей элемента Т101 составляет до трех па­ раллельных или последовательных единичных нагрузок.

Транзисторный усилитель с положительной обратной связью. Рассмотренные выше однокаскадные усилители не дают возможности получить значительную выходную мощность при поступлении маломощных входных сигна­ лов, приходящих от измерительных органов релейной защиты. Необходимый результат может быть получен при помощи усилителей, в которых содержится несколь­ ко транзисторов, соединенных каскадно. Применяются схемы с двумя и более транзисторами. Лучшие показа­ тели имеют усилители, в которых работа транзисторов в режиме переключения обеспечивается за счет введения положительной обратной связи между каскадами, уси­ ливающей действие управляющего сигнала.

Вначале рассмотрим схему усилителя постоянного тока на транзисторах типа р-п-р, не охваченного обрат­ ной связью (рис. 15,а). Такие усилители применяются в основном как усилители мощности. Транзистор Т2 берется большей мощности, чем Т\. Работа выходного транзистора Т2 такого усилителя в режиме переключе­ ния возможна только при подаче сравнительно больших сигналов на вход, обеспечивающих работу входного транзистора Т\ в режиме, близком либо к насыщению, либо к отсечке. Когда транзистор Т\ близок к насыще­ нию, напряжение между его коллектором и эмиттером невелико. Однако оно остается отрицательным относи­ тельно базы Т2щиз-за чего транзистор Т2 не может пе­ рейти в режим отсечки. Для большинства транзисторов режим отсечки обеспечивается при положительной раз­

37

запирание Т2у в схему введен резистор R& При правиль­ ном выборе значения сопротивления резистора R$ паде­ ние напряжения на нем в рассматриваемом случае полу­ чается выше напряжения, при котором транзистор Т2 запирается. Значение /?3 обычно принимается равным 10—20% значения сопротивления R2. Этого, как прави­

ло, достаточно для полного запирания Т2, когда Т\ ра­ ботает в режиме, близком к насыщению.

Когда транзистор Т\ оказывается в режиме, близком к режиму отсечки, транзистор Т2 переходит в режим насыщения. Это обеспечивается тем, что по мере запи­ рания транзистора Т\ напряжение на его коллекторе снижается и на базе Т2 появляется отрицательный по отношению к эмиттеру потенциал. Сумма сопротивлений Ri и Яз меньше сопротивления R2. Поэтому, когда тран­ зистор 7i запирается, на базу Т2 от делителя из ука­ занных резисторов поступает значительное отрицатель­

38

ное напряжение, достаточное для создания в базе Т2 тока, обеспечивающего его насыщение. Иногда взамен резистора Rs ставят диод, используемый как нелинейное сопротивление. При малых токах, когда Т2 заперт, это сопротивление весьма велико и становится намного меньше при отпирании Г2, когда ток базы увеличивает­ ся. Благодаря этому облегчаются условия переключе­ ния Г2.

Чтобы обеспечить оба крайних режима работы тран­

усилителей, реагирующих на плавное нарастание и сни­ жение входного сигнала. Желаемое сужение диапазона управляющего тока, при котором обеспечивается режим переключения выходного транзистора, достигается за счет введения положительной обратной связи. Приме­ няются две основные схемы включения обратной связи: коллекторная (рис. 15,6) и эмиттерная (рис. 15,в).

Рассмотрим работу у с и л и т е л я с к о л л е к т о р ­ ной о б р а т н о й с в я з ь ю (рис. 15, б). Резистор об­ ратной связи /?4 включается между коллектором тран­ зистора Т2 и базой транзистора Т\. Предположим, что в исходном состоянии на базу транзистора 7\ подан некоторый отрицательный сигнал, и он отперт, а транзи­ стор Т2 находится при этом в режиме отсечки. Так как

чение тока обратной связи зависит от R,ь, которое выби­ рается применительно к желаемому режиму работы уси­ лителя. Если требуется получить высокую чувствитель­ ность и хороший коэффициент возврата, то берут такое

часть тока базы Тх поступала бы через резистор Rь* Эта часть тока базы должна быть такой, чтобы небольшое снижение тока, идущего в базу Тх от источника входно­ го сигнала, вызывало переход Ти а следовательно, и Т2 в активный режим. Это приводит к возрастанию тока

всопротивлении нагрузки Rn и, как следствие, к повы­ шению потенциала коллектора Т2 и уменьшению тока обратной связи. Происходит дальнейшее снижение тока

вбазе Тх, и он быстро запирается. Ток в резисторе R%

гает максимального значения, а ток обратной связи / 0 с практически падает до нуля.

Для переключения транзистора Т2 в состояние отсеч ки достаточно увеличить ток от источника входного сиг­ нала. Транзистор Т\ начинает отпираться, вызывая уменьшение тока в базе Т2. Как только Т2 перейдет в активный режим, в цепи базы Т\ появится ток обрат­ ной связи. После этого процесс проходит лавинообраз но, транзистор Тх почти полностью отпирается, а тран­ зистор Т2 переходит скачком в состояние отсечки. Как видно из описания, ускоренный процесс переключения наступает, как только Т2 оказывается в активном режи ме. Таким путем достигается релейный характер работы усилителя. Следует иметь в виду, что применять усили­ тель с коллекторной обратной связью рекомендуется тогда, когда источник входного сигнала имеет достаточ­ но высокое собственное сопротивление.

В у с и л и т е л е с э м и т т е р н о й о б р а т н о й

входного сигнала транзистор Т± заперт, а транзистор Т2

под отрицательным потенциалом по отношению к своей базе.

Если на вход Т{ подать плавно возрастающий отри­ цательный сигнал, то при напряжении сигнала, превы­ шающем падение напряжения на /?4, транзистор Т\ нач­ нет отпираться. Ток в R\ начнет увеличиваться и при некотором его значении транзистор Т2 перейдет из со­ стояния насыщения в активный режим. Ток в резисторе /?н начнет снижаться. Одновременно будет уменьшаться падение напряжения на Rb. Произойдет дальнейшее от­ пирание 7\ и снижение тока в базе Т2. В результате Т2 переключается скачком в состояние отсечки.

При снижении входного сигнала происходит запира­ ние Т± и скачкообразный переход Т2 в состояние насы­ щения. Схема с эмиттерной обратной связью применяет­ ся, когда собственное сопротивление источника входного сигнала невелико.

Описанные усилители широко используются для соз­ дания различных полупроводниковых устройств релей­ ного действия.

40