книги / Релейная защита на унифицированных полупроводниковых элементах

Полупроводниковые устройства релейного действия [2]. Релейное действие полупроводниковых устройств проявляется в том, что при определенном изменении ве­ личины или знака входного сигнала устройство практи­ чески мгновенно переходит из одного устойчивого со­ стояния в другое. Обычно это выражается в появлении или снятии единичного сигнала на выходе устройства. Это явление называют срабатыванием устройства, а со­ ответствующие входные величины — п а р а м е т р а м и с р а б а т ы в а н и я . В сработавшем состоянии устрой­ ство может находиться в течение всего времени, пока на его входе имеются сигналы, достаточные для его удер­ жания в этом состоянии. В некоторых случаях устрой­ ство выполняется так, что оно остается в сработанном состоянии н после снятия входного сигнала на опреде­ ленное время. Это свойство называют п а м я ть ю уст­ ройства.

Возврат устройства в исходное состояние происходит либо после снятия входного сигнала или определенного отклонения его значения от заданного, либо путем по­ дачи специального дополнительного сигнала на возврат. Параметры входных сигналов, обеспечивающие возврат

выполняются в большинстве случаев на основе транзи­ сторных усилителей постоянного тока, охваченных поло­ жительной обратной связью.

В зависимости от характера управляющих сигналов, приводящих к срабатыванию и возврату, полупроводни­ ковые устройства релейного действия подразделяются на следующие виды: триггеры, одновибраторы, релейные усилители и нуль-индикаторы.

Т р и г г е р представляет собой устройство, срабаты­ вающее при кратковременной подаче единичного управ­ ляющего сигнала и остающееся в этом состоянии до подачи подобного же сигнала на его возврат (устойчи­ вое состояние). В любом из двух указанных состояний, срабатывания или возврата, триггер может находиться неограниченное время. Так как понятие «триггер» имеет и другие применения, данный триггер принято называть симметричным.

О д н о в и б р а т о р отличается от симметричного триггера тем, что в одном из устойчивых состояний он Может находиться сколь угодно долго, а из другого он

41

возвращается в первоначальное состояние через задан

ное время.

Р е л е й н ы й у с и л и т е л ь обладает свойством сра батывать при достижении управляющим сигналом за­ данного значения и возвращаться при снижении или увеличении входного сигнала на определенную величину. При этом изменение входного сигнала может происхо­ дить плавно или толчком.

Н у л ь - и н д и к а т о р — это высокочувствительное устройство, практически срабатывающее в случае изме-

Рис. 16. Элемент Т102.

нения знака управляющего сигнала. Ниже рассматри вается работа каждого из видов релейных устройств на примерах практически применяемых схем. В качестве примера симметричного триггера взят маломощны!

ра Т\ включен резистор JR3 (все резисторы типа МЛТ 0,5), а между коллектором 7\ и базой Т2— резистор R Эти резисторы создают положительную обратную связь между транзисторами, которая обеспечивает быстропротекание процесса переключения и стабильност устойчивого состояния. Входные сигналы на базу каж дого из транзисторов могут подаваться как непосрел ственно (зажимы 9 и 10), так и через последователь^

42

соединенные конденсаторы Сх и диод Д\ (или С2 и Д 2) (зажимы 1 и 2) (конденсаторы типа МБМ, 160 В).

При подаче питания на элемент произвольно уста­ навливается одно из устойчивых состояний, когда один из транзисторов отперт, а другой заперт. Перевод триг­ гера в другое устойчивое состояние производится путем подачи единичного управляющего сигнала на соответ­ ствующий вход. Выходным зажимом принято считать вывод от цепи коллектора транзистора Т2 (зажим 8 ). Кроме того, у триггера имеется аналогичный вывод от цепи коллектора транзистора Тх (зажимы 7 и //) . По­ следний может быть использован для приведения триг­ гера в определенное исходное состояние, когда транзи­ стор Тг отперт, а Т2 заперт, путем кратковременной по­ дачи на зажим 11 нулевого потенциала.

Рассмотрим работу триггера. В качестве исходного примем режим, когда транзистор Тх отперт, а Т2 заперт. При отпертом транзисторе резисторы и Re оказы­ ваются включенными между плюсом напряжения сме­ щения и нулевой шиной. На базу Т2 поступает положи­ тельное запирающее напряжение. На выходе триггера (зажим в) держится единичный отрицательный сигнал, равный примерно половине напряжения питания. Через резистор R2 запертого транзистора Т2 и резистор обрат­ ной связи R3 на базу транзистора Тх поступает отрица­ тельное напряжение, обеспечивающее надежное его от­ пирание. Здесь используется так называемая «сильная» обратная связь, когда ток обратной связи достаточен для насыщения транзистора, находящегося в отпертом состоянии.

При выборе величин R3 и Rt учитывается необходи­ мость обеспечения достаточной помехоустойчивости триггера.

Перевод триггера в другое устойчивое состояние мо­ жет производиться одним из двух способов: путем по­ дачи соответствующего положительного импульса на базу отпертого транзистора или путем подачи единич­ ного отрицательного сигнала на базу запертого. Первый способ применяется при использовании конденсаторного входа. На зажим 1 подается единичный отрицательный сигнал. При этом заряжается конденсатор Cj. На его обкладках создается отрицательный полюс со стороны зажима 1 и положительный полюс со стороны зажима 3. При снятии входного отрицательного сигнала (соедине­

43

ния зажима 1 через источник входного сигнала с нуле вой шинкой) конденсатор С* разряжается через диод Д плюсом на базу транзистора 7\. Транзистор Тi запирает ся. Одновременно происходит изменение знака напря жения на базе транзистора Т2. Благодаря запиранию 7 резистор Rs отключается от нулевой шинки и на базу 7 подается отрицательное напряжение через резистор R]. Транзистор Т2 отпирается. В результате триггер перехо­ дит в другое устойчивое состояние и напряжение на вы ходном зажиме 8 приобретает нулевое значение. Чере­ дуя подачу управляющих сигналов на конденсаторы Ci и С2, обеспечивают последовательное изменение выход ного сигнала.

Управление работой триггера по второму способу производится непосредственной подачей единичного от рицательного сигнала на прямые входы 9 или 10 запер­ того транзистора. Подавать такой сигнал полагается

следует объединять зажимы 5 с 7 и 6 с 8. Это обеспе­ чивает надежное запирание диода в цепи базы запер­ того транзистора. В базе насыщенного транзистора соответствующий диод оказывается отпертым и подготав­ ливает путь для прохождения положительного импульса в случае разряда конденсатора, связанного с данным диодом.

По своей нагрузочной способности элемент Т102 до­ пускает подключение одной единичной параллельной нагрузки и пяти — семи последовательных нагрузок. В схемах релейной защиты симметричные триггеры чаще всего используются для запоминания сигналов,

триггера тем, что одна из резисторных связей заменена конденсаторной. Одновибратор может быть собран из типовых элементов, содержащих отдельные транзистор­ ные переключатели с добавлением конденсатора. Одна из возможных схем одновибратора представлена на рис. 17. В устойчивом состоянии, когда управляющий сигнал отсутствует, транзистор Т\ заперт напряжением смещения. Транзистор Т2 открыт, так как через его базу и резистор Rs проходит ток, достаточный для насыще­

44

ния Т2, Конденсатор С2 заряжен (обкладка со стороны базы Т2 заряжена положительно; обкладка, связанная с коллектором Ти отрицательно). На выходе одиовибратора напряжение близко к нулю. При поступлении на вход одиовибратора отрицательного импульса транзи­ стор Ti отпирается и соединяет отрицательно заряжен­ ную обкладку конденсатора С2 с нулевой шинкой. База Т2 получает положительный потенциал со второй об­

кладки конденсатора С2, и транзистор Т2 запирается. Напряжение на выходе одиовибратора на какое-то вре­ мя становится примерно равным напряжению питания. В этом временно-устойчивом состоянии одновибратор будет находиться до тех пор, пока конденсатор С2 не разрядится через эмиттер — коллектор отпертого тран­ зистора Т{ и параллельно соединенные резистор R$ и сопротивление перехода база — эмиттер транзистора Т2я Цепь разряда конденсатора С2 через резистор R$ замы­ кается через внутреннее сопротивление источника пита­ ния (шинки 0, —t/n). После окончания разряда С2 на ?базе Т2 снова устанавливается отрицательное напряже­ ние. Транзистор Т2 отпирается, что влечет за собой не­ медленное запирание транзистора и возвращение од- I новибратора в исходное устойчивое состояние. В схемах релейной защиты одновибраторы используются для за­ поминания кратковременных импульсных сигналов на

частью измерительных органов релейной защиты при создании реле тока и напряжения на полупроводнико­ вых приборах, аналогичных по принципу действия обыч­ ным токовым электромеханическим реле. В соответствии

45

со спецификой релейной защиты такие релейные усили­ тели должны удовлетворять ряду особых требований:

должна быть обеспечена высокая стабильность пара метров срабатывания при отклонениях уровня питающе го напряжения постоянного тока в допустимых пре делах;

основные параметры не должны изменяться при зна чительных колебаниях температуры окружающего воз духа;

время срабатывания н отпускания релейного усили теля должно быть небольшим и составлять не более не скольких десятков миллисекунд;

релейный усилитель должен иметь высокий коэффи циент возврата;

усилитель должен иметь малое потребление по це­ пям управления;

должны допускаться кратковременные значительные превышения входного сигнала по отношению к парамет рам срабатывания;

для реле переменного тока требуются усилители четко работающие при отклонении формы кривой ток«

w

Рис. 18. Релейный элемент Т205.

от синусоиды вследствие насыщения трансформаторов тока, когда их погрешность может достигать 50%.

Не допускается появление выходного сигнала в мо­ мент подачи и при снятии оперативного тока.

Разработано несколько вариантов релейных усили­ телей, специально предназначенных для измерительных органов релейной защиты. Одним из наиболее распро-

46

страненных является релейный элемент типа Т205 из серии «Логика-Т» (рис. 18).

При использовании элемента в цепях переменного тока перед его входом включаются два резистора R' типа ППЗ-43 и R" типа МЛТ2, напряжение с которых подается через выпрямительный мост на входные зажи­ мы элемента 1 и 15. Эти резисторы являются составной частью делителя напряжения. Остальные резисторы типа МЛТ 0,5. Для сглаживания выпрямленного тока между зажимом 2 и нулевой шиикой включается кон­ денсатор емкостью не менее 10 мкФ типа МБГО. Та­ кое сглаживание особенно необходимо пр« отклонении формы входного тока от синусоиды.

Элемент Т205 выполнен на трех транзисторах, два из них типа р-п-р и один типа п-р-п. Для положительной обратной связи между выходным и входным транзисто­ рами используется резистор R2 (или Rt), подсоединен­ ный одним концом к базе Тх. Второй конец резистора подсоединяется через зажим 10 (11) к зажиму 9 либо непосредственно, либо через добавочный резистор R9 о назначении которого будет сказано ниже.

При отсутствии входного сигнала все три транзисто­ ра заперты: Т\ и Тъ напряжением смещения, поступаю­ щим с шинки 6 В, а Т2 типа п-р-п — отрицательным напряжением питания— 12 В, поступающим через рези­ стор Re при запертом транзисторе Т{. Тока в цепи об­ ратной связи нет, так как потенциалы зажима 9 и базы Тх близки к нулю. Напряжение на выходе (зажимы 8, 15) также близко к нулю, так как диоды Де и Дч отпер­ ты напряжением смещения. Отпирание транзистора Тх происходит при возрастании входного отрицательного напряжения после выпрямителя В до значения +12 В ±20%, являющегося постоянным для каждого отдельно взятого элемента. По мере отпирания Т\ начинает уве­ личиваться ток в резисторах и Re, и на базе транзи­ стора Т2 появляется положительное напряжение за счет падения напряжения в резисторе Re. Транзистор Т2 так­ же отпирается и в свою очередь обеспечивает подачу отрицательного напряжения на базу транзистора Т3 и его отпирание. Появление коллекторного тока через Т3 приводит к запиранию диода Дч и подаче отрицательного напряжения в цепь обратной связи на резисторы R и R2 или i?4- Возникает лавинообразный процесс, приводящий к быстрому насыщению всех трех транзисторов. Время

47

действия схемы определяется в основном конденсатором С и при двукратном по отношению к напряжению сра­ батывания входного сигнала составляет около 20 мс. При меньшем значении сигнала это время увеличивает­ ся. По окончании процесса на выходном зажиме 8 появ­ ляется единичный отрицательный сигнал, значение ко­ торого составляет не менее 4,5 В.

Возврат схемы происходит также лавинообразно. При снижении входного сигнала до величины напряже­ ния возврата происходит запирание транзистора Т\. Снижение коллекторного тока Т\ приводит к запиранию Т2, а вслед за ним и Т3. Время возврата схемы в исход­ ное состояние составляет менее 100 мс. На выходе Т205 (зажимы 8 и 15) может быть подключено до трех параллельных единичных нагрузок.

Наличие на входе стабилитрона Дг способствует тем­ пературной стабилизации параметров срабатывания и возврата. Элемент допускает кратковременную в тече-

п

ние 1 с десятикратную перегрузку по входному току. При использовании элемента в схеме рис. 18 напряже­ ние срабатывания может плавно регулироваться до трехкратного значения по отношению к минимальному. Для защиты элемента от высоких уровней входных сиг­ налов предусмотрен диод Дь Когда входной сигнал на зажиме 1 становится выше определенного значения, диод Д\ отпирается и переключает входной сигнал на

48

Если нужно замедлить работу элемента, между за­ жимами 6 и 15 включают конденсатор, что влечет за собой запаздывание изменения напряжения на базе Г2 при запирании транзистора 7\ входным сигналом. Кон­ денсатор Ci типа БМ-2-200 препятствует самовозбуж­ дению схемы. Нагрузочная способность элемента неве­ лика и не превышает одной единичной параллельной нагрузки, т. е. не свыше 1,2 кОм.

Полупроводниковые реле времени. Большинство по­ лупроводниковых реле времени базируется на исполь-

Рис. 20. Элемент времени Т305.

зоваини заряда конденсатора через резистор с большим сопротивлением. Выходной сигнал появляется при дости­ жении определенного потенциала на конденсаторе, на что требуется заданное время. Для получения необхо­ димых выдержек времени релейной защиты в серии «Логика-Т» имеется элемент времени типа Т305, позво­ ляющий установить выдержки 0,01—20 с. Отклонение выдержки времени этого элемента под влиянием раз­ личных факторов не превышает 5% максимальной уставки. Предусматривается быстрый возврат элемента в исходное состояние при исчезновении управляющего сигнала на входе. Схема элемента показана на рис. 20. При отсутствии входного сигнала транзистор заперт благодаря напряжению смещения + 6 В. Диод Дб от-

50