213 + f2lэRэ

Учитывая, что

к1 - Е\1 - kiRkV бГ

после преобразований найдем

где X=R2/{Ri + R2).

При Rr-hiiaRa формула (7.16) упрощается, т. е.

Rki \

1+Х

(7.16)

(7.17)

нас

нас

Если элементы схемы рассчитаны так, что получается £г1<£г2,

то триггер Шмитта 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 [/нас.

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).

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

При входном сигнале [/вх, меньшем порогового напряжения срабатывания схемы [/сраб, выходное напряжение определяется положительным уровнем насыщения. При [/вх[/сра^ выходное напряжение изменяется от +[/нас до уровня -[/нас и остается равным ему до тех пор, пока [/вх не станет меньше порогового напряжения отпускания [/отп. При [/вх[/отп выходное напряжение снова скачком изменяется от -[/нас до -ь[/нас. Схема возвра-

Рис. 7.3

яется в исходное состояние. Пороговое напряжение срабатыва-{Я и отпускания можно найти по формуле

cpa6(or.) = -ff-fon, (7.18)

л

где ±/нас - положительный или отрицательный уровень насыщения выходного напряжения при определении {/сраб или [/отп соответственно.

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

-aSii

§ 7.3. Электронные реле времени

Существует много конструктивных и схемных методов замедления времени срабатывания (получения времени выдержки) электромеханических реле. р

Наиболее широко распространены конденсаторные реле времени благодаря малым габаритам, надежности, простоте изготовления и малой стоимости. В этих реле выдержка времени обеспечивается с помощью интегрирующих RC-neneu с большой постоянной времени.

Простейшее конденсаторное реле времени с включением конденсатора параллельно обмотке электромеханического реле показано на рис. 7.5. Недостатком такого включения является сложная зависимость времени выдержки от

ИИДУКТИВНОСТИ обмотки Lo6m.

в схеме на рис. 7.5 возможно возникновение нежелательных олебаний так как элементы Гобм, Lo6m и С образуют колебатель-Ь1и контур. Для исключения возможности периодических колебали в цепи необходимо выполнить условие

Рис. 7.5

оби

, обк

(7.19)

откуда видно, что емкость конденсатора С необходимо выбира большой.

Для устранения отмеченных недостатков осуш,ествляют ра вязку интегрирующ,их входных /?С-цепей и обмотки реле с по мощью электронных схем.

Рис. 7.6

В таких реле времени, называемых электронными, время выдержки определяется в основном процессами заряда или разряда конденсатора. Схема простейшего электронного реле времени на транзисторе приведена на рис. 7.6, а. В исходном состоянии на входе схемы действует положительное напряжение {/вх=+£г, за счет которого диод VDi находится в открытом состоянии, а транзистор VT закрыт. Пренебрегая обратным током транзистора, можно считать, что ток через обмотку реле, включенного в коллекторную цепь транзистора, не протекает. Конденсатор С заряжен до напряжения Ег.

Если изменить полярность входного напряжения (рис. 7.6, б), т. е. подать отрицательный сигнал, диод VD, запирается, так как входное напряжение изменяется скачком на значение 2£г, а напряжение на конденсаторе скачком измениться не может. При запирании диода VDj источник входного сигнала отключается от схемы реле и конденсатор начинает разряжаться с посгоянной времени выдержки Твыд=/?С (считаем внутренние сопротивления закрытых диода и транзистора значительно большими по сравнению с сопротивлением резистора R). Напряжение на конденсаторе изменяется по закону

Ис(0=(£ к+£г)е

р

(7.20)

стремясь при / = оо к уровню -Е^ (рис. 7.6, б).

В момент времени /г, когда напряжение Uc достигает нулевого значения, открывается эмиттерный переход транзистора. Так как

реннее сопротивление эмиттерного перехода мало (считаем jO), то напряжение с фиксируется на нулевом уровне и церез базу транзистора протекает ток

вызывающий появление коллекторного тока

/к=/бЛ2:э=219 (7.21)

срабатывание реле, если /к>/сраб.

Таким образом, в схеме рис. 7.6, б время выдержки определяется приближенно отрезком ti-ti (пренебрегаем временем срабатывания электромеханического реле и переходными процессами в транзисторе). Начиная отсчет времени от /i = 0 и полагая в формуле (7.20) Uc{t2)=0, /=/2=/выд, после некоторых преобразований получим

С,д=Тз д1п^?. (7.22)

Если с момента tz скачком изменить полярность входного напряжения (обеспечить Ubx=Et), то откроется диод VDj. Ток базы транзистора также скачком падает от значения /б до значения 1б -Ек/к-Er/iRr+Гпр) и меняет свое направление при

-<£r/(/?,-fr p), (7.23)

способствуя быстрому запиранию транзистора; Rr, г пр - соответственно внутренние сопротивления источника входного напряжения и открытого диода VDi.

Ток коллектора уменьшается со скоростью переходного процесса запирания транзистора, и при /к==/отп контакты электромеханического реле возвращаются в исходное состояние.

После запирания транзистора конденсатор заряжается до значения +Ег с постоянной времени восстановления исходного состояния схемы

Твосст~1(г + Гпр)/?1С. (7.24)

Учитывая, что для выполнения неравенства (7.23) обычно принимают /?>/?г4-Гпр, можно записать

(/?г+Гпр)С<Гз д. (7.25)

Зная постоянную Твосст, из формулы

f 9 Чг

* восст )U ь восст

йдем время восстановления исходного состояния схемы, отсчи-Баемое как промежуток времени между уровнями 0,1 и 0,9£ г. ри обеспечении достаточно малых значений Твосст время восста-

новления исходного состояния схемы будет определяться

нем отпускания электромеханического реле, т. е. UoM=t.

Из формулы (7.22) следует, что для получения больших впп мен выдержки необходимо увеличивать параметры R и С, оппе деляющие постоянную времени твыд. Однако при увеличении емко сти конденсатора С одновременно с временем выдержки возрастает и время восстановления исходного состояния схемы, что снижает максимальную частоту входного сигнала, т. е. быстродействие схемы. Поэтому для получения больших значений t более целесообразно увеличивать сопротивление резистора R о^ тя при этом уменьшается рабочий ток коллектора. Полагая в формуле (7.21) /к=/сраб, найдем максимальное значение сопротивления резистора

/?тах=7Л2ь- (7.26)

Используя в схеме рис. 7.6, а составной транзистор, можно увеличить максимальное сопротивление резистора до значения

/?тах = -Г^2шЛ.Лэ2. (7.27) i сраб

где /i2i3i, /i2i32 - коэффициенты усиления по току отдельных транзисторов в схеме составного транзистора.

и

Рис. 7.7

В схеме реле времени, приведенной на рис. 7.7, а, для получения большой выдержки используется свойство стабилитрона резко уменьшать внутреннее сопротивление Гстаб, если обратное напряжение, приложенное к стабилитрону, превышает напряжение пробоя {/проб. Временные диаграммы работы схемы приведены на рис. 7.7, б. g

В исходном состоянии на входе схемы действует небольшо отрицательное напряжение - £си. Диод VDj открыт, а стабилн-

оН VD2 закрыт (гстаб->-оо), так как к нему приложено обратное пояжение, равное напряжению Есы. Так как база через резистор соединена с эмиттером, то транзистор закрыт и ток через об-тку электромеханического реле, включенного в коллекторную не протекает. При подаче на вход схемы в момент времени положительного скачка напряжения вхсм-Ь f/проб диод VDi якрывается, отключая источник входного сигнала от схемы, и конденсатор заряжается с постоянной времени Твыд~/?С (рис. у7 б). Напряжение на конденсаторе Uc, а следовательно, и об-патное напряжение на стабилитроне Ыстаб изменяются от значения -£см по закону

cta6=- с (О = + см) (1 - е-/выд) Е,, (7.28)

стремясь к уровню -£к при too.

При достижении в момент времени /2 напряжением Ыстаб значения [/проб внутреннее сопротивление стабилитрона резко уменьшается (считаем Гстаб^О), а напряжение с стабилизируется на уровне [/проб. Через базу транзистора без учета Яб протекает ток

вызывающий появление коллекторного тока

/к-=/бЛ2и=-Л2:з (7.29)

и срабатывание реле, если /к>/сраб.

Пренебрегая временем срабатывания электромеханического реле и переходными процессами в транзисторе, найдем время выдержки в схеме на рис. 7.7. Начиная отсчет времени от /i = 0 и полагая в выражении (7.28) [/с(/2) = [/проб, /=/2 = /выд, будем иметь

C=Tвь.дlпff. (7.30)

- 1проб

После снятия скачком в момент времени ts положительного входного сигнала диод VDi снова открывается и конденсатор разряжается через цепь, содержащую внутренние сопротивления г„р скрытого диода VDj и источника входного сигнала Ят. Напря- ения на конденсаторе и стабилитроне изменяются по экспоненте постоянной времени Твосст~ (/г+пр) С от -[/проб до уровня

см. Внутреннее сопротивление стабилитрона возрастает ств^~°° приводит к уменьшению базового тока и соответ-Ког^ ° к запиранию транзистора. При небольших значениях Я>..

Да 2,Зтвосст</отп, время восстановления исходного состояния

схемы определяется временем отпускания электромеханическо реле, т. е.

ВОССТ~ОТП' (7.31)

При отп>2,Зтвосс1 время восстановления схемы рассчитывают соотношения

восст=2,ЗТвосст- (7.32)

Из формулы (7.30) следует, что время выдержки зависит от постоянной времени Твыд и напряжения пробоя стабилитрона. Чем больше Хвыя=RC и {/проб, тем больше время выдержки.

Максимальное значение емкости конденсатора С ограничивается допустимым быстродействием схемы, а возрастание R ц {/проб связано с уменьшением рабочего тока транзистора, так как для надежного срабатывания электромеханического реле необходимо выполнить условие

откуда следует

/?.a. = fA.3. (7.33)

Как и в предыдущей схеме (см. рис. 7.6, о), Rmtx можио увеличить с помощью составного транзистора.

§ 7.4. Фотоэлектронные реле

Реле называют фотоэлектронным, если на его входе включен элемент, обладающий свойством изменять электропроводность под действием света.

Фотоэлектронные реле служат в автоматике для контроля й измерения оптических величин. Элемент реле, осуществляющий преобразование оптического входного сигнала в электрический, называется фотоприемником. Различают полупроводниковые, электровакуумные и ионные фотоприемники. Наиболее широко применяются полупроводниковые фотоприемники (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы), имеющие меньшие габариты по сравнению с электровакуумными и ионными.

Основными параметрами фоторезисторов являются: а) темповое сопротивление, т. е. сопротивление фоторезистора при отсутствии светового воздействия: значения темпового сопротивления

ределах от 40 кОм ДО [тельность, т. е. значе-ветового потока, отне-

ое к номинальному напряжению. Чувствительность фоторези-пов показывает степень изменения сопротивления при изменений светового потока, и имеет значение от 500 до 20 000 мкА/

( достоинствами фоторезисторов являются простота и малая оимость их изготовления, а к недостаткам относится их малое содействие. Постоянная времени переключения фоторезисто-ов составляет единицы миллисекунд, что ограничивает их применение в схемах фотореле.

Большое быстродействие переключения фотореле можно получить при ис- 4-ч' пользовании фотодиодов и фототранзис-

торов. 1-

фотодиоды могут работать в вентильном режиме (без внешнего ис- точника питания), когда при освещении ф.д^, фотодиода на электродах его при разом-кнутой внешней цепи возникает так на- ф^Ф, зываемая фото-ЭДС (рис. 7.8, а) fi

фд=?уЬ(1 + /ф о), (7.34)

где фт~0,025 В - температурный потен- \ циал; /ф - фототек, прямо пропорциональный световому потоку Ф; /о - обратный темповой ток фотодиода при Ф = 0. Для кремниевых фотодиодов /о = = 1...2 мкА, для германиевых /о=10... 20 мкА.

При подключении к фотодиоду внешнего сопротивления через фотодиод и внешнюю цепь потечет ток нагрузки /д. В результате напряжение на фотодиоде уменьшится до значения

/ф-/и

ФД -

Рис. 7.8

н = /н/? = фд. = ?.Ш(--+ 1

\ 0

(7.35)

Таким образом, фотодиод при работе в вентильном режиме Можно рассматривать как маломощный источник питания.

Чаще, чем вентильный, применяется фотодиодный режим, огда к фотодиоду прикладывается обратное напряжение Е (рис. 8, б).

Проводя нагрузочную прямую на семействе вольт-амперных характеристик фотодиода, положение которой соответствует вы-Ранным (или заданным) значениям Rh и Е, можно найти ток в чепи при воздействии некоторого светового потока Ф. I отсутствии освещения (Ф = 0) в цепи будет протекать, ток Диоду почти все напряжение источника приложено к фото-

Ри изменении светового потока

по определенному

закону 151

рабочая точка А перемещается по нагрузочной прямой, а ток цепи изменяется в соответствии с законом изменения Ф.

При Ф = Фз ток в цепи максимален и равен /нтах=£ ? пряжение батареи Е практически приложено к нагрузке R падение напряжения на фотодиоде близко к нулю.

Основным параметром фотодиода является интегральная чу ствительность, характеризующая изменение фототока /,

Ф через (7.36)

диод при изменении интенсивности светового потока Ф:

Значение /Сф в щироких пределах уровней освещенности оста ется неизменным, т. е. фототок прямо пропорционален световому потоку Ф. Интегральная чувствительность фотодиодов имеет порядок несколько десятков мА/лм.

Рис. 7.9

Рис. 7.10

Интегральную чувствительность фотоприемника можно повысить с помощью фототранзистора, представляющего собой биполярный транзистор, база которого вместо электрического сигнала управляется световым потоком.

Интегральная чувствительность фототранзистора достигает значений около 1 А/лм.

За счет высокой интегральной чувствительности выходной ток фототранзистора обычно не требует усиления. Однако темновой ток фототранзистора больще темпового тока фотодиода в 1 + -f/i2i3 раз. Так как к^хэ зависит от температуры, то температурная нестабильность фототранзистора много выще, чем температурная нестабильность фотодиода.

На рис. 7.9 приведена схема фотоэлектронного реле, реагирующая на уровень светового потока, превышающий заданный.

В исходном состоянии, например при Ф = 0, ток, протекающий через фотодиод, не превышает значения темнового тока фотодиода. Поэтому транзистор закрыт.

При освещении фотодиода световым потоком с интенсивность . большей заданного уровня, ток через фотодиод, соответствуют току базы транзистора, увеличивается. Транзистор открывает

его коллекторной цепи появляется ток, вызывающий срабаты- uge электромеханического реле.

На рис. 7.10 приведена схема бесконтактного фотоэлектронно-

пеле, реагирующая на уровень светового потока, меньший за-анного. По принципу построения схема рис. 7.10 аналогична JxeMC триггера Шмитта.

В исходном состоянии, прн освещенном фоторезисторе, тоанзистор VTi открыт, а VTj закрыт. Ток через нагрузку у^2 = /?н не протекает. Если прервать световой поток или

Ср( - -

Рис. 7.11

Рис. 7.12

уменьшить его до некоторого критического уровня, то в схеме происходит лавинообразный процесс, приводящий к запиранию VTj и отпиранию VT2. Через нагрузку кг протекает ток /к2.

При необходимости в коллекторную цепь транзистора VT2. вместо резистора Rh можно включить электромеханическое реле, срабатывающее при протекании тока через транзистор VT2.

Для контроля разности между уровнями двух световых потоков^ используют дифференциальное фотоэлектронное реле (рис.

В исходном состоянии схема сбалансирована таким образом. Чтобы ток через обмотку электромеханического реле был равен нулю. При изменении уровня одного из световых потоков, падаю-Цих на фоторезисторы и /?ф2, баланс схемы нарушается. Через^ обмотку электромеханического реле протекает ток, вызывающий срабатывание реле.

§ 7.5. Электронные реле на тиристорах

При

протекании больших токов через нагрузку в качестве Реключающих элементов бесконтактного реле используются ти-