3. РАБОТА УЗЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СХЕМЫ И РЕЛЕ В ЦЕЛОМ
Узлы полупроводниковой схемы реле РЧ-I удобно начать рассматривать с простого выходного каскада, изображенного на рис 18. Предыдущий каскад, который управляет транзисторам Т, изобразим в виде ключа К, разомкнутый ключ соответствует закрытому состоянию выходного транзистора предыдущего каскада, замкнутый — открытому
Рис 16 Условные изображения транзисторов рп-р (а) н п-р-п (б)
Когда ключ К замкнут, база транзистора Т (точка Л) подключена к делителю R2—R3 между шинками -6В и 0, поэтому ее потенциал значительно положительнее эмиттера (подключенного к шинке 0) и транзистор надежно закрыт Так в обмотке реле РП практически отсутствует, реле находится в отпавшем положении
Если ключ К разомкнуть, то база транзистора Т оказывается подключенной к делителю R3—(R1 + R2) между—12 В и +6 В, и потенциал ее станет отрицательнее (при отключенной базе потенциал точки А был бы около —3 В). Транзистор открывается, и по обмотке реле проходит ток, который определяется сопротивлением обмотки и питающим напряжением Падение напряжения на открытом транзисторе практически отсутствует Реле срабатывает При замыкании ключа транзистор закрывается и реле отпадает
Рис 19 Схема усилительного каскада
При закрытии транзистора из-за индуктивности обмотки реле могут возникнуть перенапряжения, на коллекторе транзистора будет в этом случае большой отрицательный потенциал Для предотвращения повреждения транзистора используется диод Д, который шунтирует обмотку реле, если потенциал ее нижнего вывода станет отрицательнее шинки — 22 В. При открытом транзисторе Т диод Д закрыт и не влияет на работу реле
Таким образом, с помощью такого каскада, работающею в ключевом режиме, обеспечивается срабатывание реле при размыкании ключа К, те при закрытии выходного транзистора предыдущего каскада. Коллекторное напряжение принято 22 В, чтобы обеспечить надежную работу выходного реле РП-220, которое имеет напряжение срабатывания около 15 В
Рис. 18 Схема выходного каскада
Рассмотрим работу более сложного усилительного каскада, состоящего из двух транзисторов (рис 19) Как и раньше считаем, что управление каскадом осуществляется с помощью ключа К. Прежде всего следует отметить, что транзистор 77 имеет обратную проводимость (п-р-п). Такой транзистор открыт, если его база имеет положительный потенциал относительно эмиттера. Эмиттер транзистора 77 подключен к средней точке делителя R7—R8, выполненного из относительно низкоомных резисторов (по 1,2 кОм). Потенциал эмиттера около —6 В и мало зависит от состояния транзистора Т1 (открыт или закрыт), так как сопротивление резисторов делителя на порядок меньше коллекторной нагрузки Т1 (резистор R4 на 10 кОм). При замкнутом ключе К диод Д1 открыт, следовательно, Д2 закрыт (так как точка 'Б имеет потенциал не положительнее точки А, связанной через Д1 с шинкой 0) и отделяет базу транзистора 77 от шинки —12 В. Поэтому база транзистора 77 положительнее его эмиттера, и 77 отк]рыт. При этом обеспечен отрицательный потенциал базы транзистора Т2. Последний тоже открыт. Точка Б при открытом транзисторе Т1 немного положительнее точки В —на величину падения напряжения на эмиттерном переходе открытого 77.
При размыкании ключа К диод Д1 закрывается, что позволяет открыться диоду Д2, база транзистора Т1 получает связь с шинкой —12 В и оказывается подключенной к делителю R2-R3, причем сопротивление R2 меньше R3 Транзистор 77 закрывается (при отсоединенном диоде ДЗ потенциал тони Б был бы около —8 В, т. е. отрицательнее точки В). Диод ДЗ предназначен для защиты эмиттер наго перехода транзистора Т1 от больших запирающих напряжений (напряжение в точке Б относительно эмиттера транзистора Т1 не превышает падения напряжения на диоде ДЗ). Кроме того, диод ДЗ способствует стабильной работе транзистора Т1 при колебаниях температуры. Закрытие транзистора 77 приводит к закрытию Т2, так как база транзистора Т2 отделяется от шинки —12 В, но остается подключенной к шинке +6 В через резистор R5, диод Д4 имеет такое же назначение, как ДЗ. Диоды Д1 и Д2 образуют так называемый диодный ключ Если диад Д/ открыт, то Д2 обязательно закрыт, и наоборот. Управление с помощью диодного ключа повышает четкость работы управляемого транзистора.
На рис. 19 пунктиром показаны конденсаторы С1 и С2. Конденсатор С1 замедляет закрытие транзистора
Т1 после размыкания ключа К на бремя заряда C1 до напряжения, равного потенциалу точки Б (так как диод Д2 открывается только в том случае, если точка А отрицательнее точки Б, а до заряда конденсатора точка А остается положительнее, чем точка Б). Подобную роль может играть конденсатор С2, который также на время своего заряда задерживает появление в точке Л отрицательного потенциала после размыкания ключа К. При замкнутом ключе К конденсатор С1 шунтирован через диод Д1 и разряжен, конденсатор С2 шунтирован через Д1 'и Т2 и тоже разряжен.
Рис. 20 Фазочувствительный Рис. 21. Схема усилительно- элемент схемы реле. ограничительного каскада.
Рис. 21. Схема усилительно-ограничительного каскада.
Таким образом, при замкнутом управляющем ключе К выходной транзистор Т2 рассматриваемого каскада открыт, а при разомкнутом К — закрыт. Если подключен конденсатор С1 или С2, то закрытие транзистора Т2 происходит не в момент размыкания управляющего ключа, а через некоторое время.
На рис. 20 показан фазочувствительный элемент схемы реле. Как и при рассмотрении усилительных каскадов примем, что управление осуществляется ключами К1 и К2. При замкнутом ключе К1 транзистор 77 закрыт, поскольку его база включена между шинками 0 и +6 В и положительнее эмиттера. При отключенном ключе К1 база транзистора 77 оказывается подключенной между шинками +6 В и —12 В. Так как сопротивление до шинки —12 В меньше, чем до шинки +6 В, база транзистора 77 приобретает отрицательный потенциал (относительно эмиттера). Если коллектор транзистора Т1 будет отрицательнее шинки 0, то транзистор Т1 откроется. Следовательно, ключ Kl управляет транзистором 77.
При замкнутом ключе К2 конденсатор С1 практически разряжен. Потенциал верхней пластины (точка А) равен нулю, потенциал нижней пластины (точка Б) близок к нулю (подробное описание процесса разряда конденсатора смотри ниже).
В момент размыкания ключа К2 начинается заряд конденсатора С1. Если в это время открыт транзистор 77, то ток заряда проходит через него, потенциал точки Б в процессе заряда остается равным нулю, точка В остается положительной и транзистор Т2 не открывается. Если транзистор 77 закрыт, то зарядный ток 'начинает проходить по резистору R5, база транзистора Т2 приобретает отрицательный потенциал относительно эмиттера, транзистор Т2 открывается. По мере нарастания напряжения на конденсаторе ток по резистору R5 уменьшается и через некоторое время после начала заряда транзистор Т2 закрывается.
Время открытого состояния транзистора Т2 определяется параметрами схемы, для реле РЧ-1 оно составляет ОКОЛО 1 :МС.
При замыкании ключа К2 конденсатор С1 разряжается. Процесс протекает следующим образом. Как известно, напряжение на конденсаторе не изменяется мгновенно. Поэтому в первый момент после замыкания ключа К2 потенциал точки А становится равным нулю, а потенциал точки Б становится положительнее на напряжение, до которого был заряжен конденсатор, т. с, примерно на 12 В. Потенциал базы транзистора 77 составляет либо около 1,5 В (при замкнутом ключе Д7), либо около —4 В (при разомкнутом ключе К1). Таким образом, коллектор транзистора 77 положительннее эмиттера, а его база отрицательнее коллектора (независимо от состояния Kl). В гаком режиме транзистор открывается и через него происходит разряд конденсатора С1. Если ключ К1 разомкнут, то конденсатор разряжается практически до нуля; если ключ К1 замкнут, то разряд прекращается, когда потенциал базы становится равным потенциалу базы транзистора 77, так как в этот момент транзистор 77 закрывается.
Разряд конденсатора С1 не является основным процессом. Работа схемы основана на процессе заряда С1, во время которого открывается или не открывается
транзистор Т2. Кратковременное открытие транзистора Т2 происходит в момент размыкания ключа К2, если ключ К1 при этом замкнут. Если ключ К1 размыкается одновременно с ключом К2 или раньше, то транзистор Т2 не открывается. Таким образом, схема фиксирует порядок размыкания ключей; если сначала размыкается ключ К2, то транзистор Т2 кратковременно открывается, если ключ К1—остается закрытым.
Теперь рассмотрим работу усилительно-ограничительного каскада (рис. 21), который используется для преобразования синусоидального .напряжения в прямоугольные .импульсы.
При отсутствии входного напряжения UBy. транзистор Т открыт, поскольку его база оказывается отрицательнее эмиттера (так как точка Б отрицательна). Когда к резистору R1 приложена отрицательная полуволна входного напряжения, точка А получает еще более отрицательный потенциал, диод Д1 закрывается, предотвращая чрезмерное увеличение тока через эмиттерный переход транзистора Т. Транзистор Т остается открытым. При положительной полуволне напряжения t/BX точка А после прекращения тока по резистору R1 (или изменения его направления) становится положительной, диод Д1 открывается, а Д2 закрывается, так как точка Б становится положительнее точки В. Это приводит к отделению базы транзистора Т от шинки —12 В, и транзистор закрывается. Надежное закрытие обеспечивается подачей положительного потенциала через резистор R3, диод ДЗ защищает эмиттерный переход от большого запирающего напряжения. При закрытии транзистора Т в точке Г появляется отрицательное напряжение, т. е. импульс. Амплитуда импульса не зависит от амплитуды входного напряжения, а определяется коллекторным напряжением, сопротивлением нагрузки и другими параметрами схемы. Ширина импульса, т. е. его длительность, несколько меньше полуволны входного напряжения, так как для закрытия диода Д2 нужно, чтобы £/Вх было больше падения напряжения на резисторе R1 при отсутствии входного напряжения. Таким образом, при переменном синусоидальном напряжении на входе схемы на выходе появляются прямоугольные импульсы (рис. 22).
После ознакомления с работой отдельных узлов рассмотрим работу всей схемы. Сначала вернемся к структурной схеме реле (см рис 2) На вход формирователей Ф1 и Ф2 подано синусоидальное напряжение oi измерительных цепей Напряжение С/0 (опорное) совпадает по фазе с напряжением сети, напряжение Uf при частоте сети выше уставки реле отстает от опорного напряжения и опережает его, если частота сети ниже уставки (более подробно об этом сказано в § 1) Синусоидальные напряжения Uf и U0 преобразуются формирователями в прямоугольные импульсы, которые подаются на фазочувствительный элемент ФЭ Команду на срабатывание реле вырабатывает фазочувствительный элемент Она поступас1 на усилитель У, если импульсы от формирователя Ф1 опережают импульсы от формирователя Ф2 или совпадают с наши по фазе Усилитель имеет элемент выдержки времени После истечения заданного времени срабатывает исполнительный орган ИО (промежуточное реле РП-220)
Рассмотрим более подробно отдельные элементы, связь между ними, назначение и работу некоторых блокирующих элементов
Формирователи Ф1 и Ф2 практически одинаковы, они представляют собой усилительно-ограничительные каскады, рассмотренные выше (рис 21, 22) Формирователь Ф2 состоит из транзистора Т2 (МП-42Б), диодов ДЗ, Д8, (Д223Б) и Д6 (Д9Ж), резисторов R6, R8 и R10 (МЛТ) Здесь и далее обозначения отдельных элементов соответствуют принципиальной схеме реле РЧ 1, показанной на рис 3, если нет дополнительных ссылок на другие рисунки, а обозначения формирователей Ф1 и Ф2 соответствуют рис 2 Синусоидальное напряжение, которое следует преобразовать в прямо угольные импульсы, снимается с резистора R5 Формирователь Ф1 состоит из транзистора 77 (М.П-42Б), диодов Д4, Д51 Д9 (Д223Б) и Д7 (Д9Ж), резисторов R7, R9, Rll, R* (МЛТ). Синусоидальное напряжение снимается с резисторов R2 и R3 (МЛТ)
Рис 22 Импульсы на усилительно ограничительном каскаде
1 — переменное напряжение на входе 2 — уровень чувствительности 3- импульсы на выходе
Рис 23 Влияние чувствительности формирователей на ширину импульсов
Дополнительный резистор R*, который подключают параллельно R6 или R7, предназначен для обеспечения правильной работы реле частоты при небольших напряжениях на входе реле Отклонения частоты срабатывания от уставки вызываются двумя основными причина ми Во-первых, при небольшом напряжении на входе реле дроссель измерительном цепи работает в начальной части характеристики намагничивания, имеющей меньшую крутизну Индуктивность дросселя уменьшается, что приводит к увеличению частоты срабатывания реле Во вторых, чувствительность формирователей может
Ряс 24 Зависимость срабатывания рече РЧ 1 ог напряжения на входе реле при разных значениях сопротивления резистора R" Кривые 1—6 соответствуют уменьшающимся значениям сопротивления радистора R*
быть неодинаковой из за различия параметров деталей, входящих в схему, хотя типы и номинальные данные входящих в разные формирователи деталей одинаковы Так, например, сопротивление большинства применен ьы\ резисторов может иметь разброс ±10%, различными могут быть характеристики транзисторов МП42Б Различная чувствительность формирователей приводит к различной ширине импульсов на их выходе, особенно при небольшом напряжении на входе реле, что наглядно показано на рис 23 Различная ширина импульсов в свою очередь вызывает значительную погрешность в работе фазочувствительного элемента (подробнее смотри ниже), т е снижает точность работы реле Дополнительный резистор R*, принудительно изменяя чувствительность одного из формирователей, обеспечивает не обходимую точность реле в заданном диапазоне изменения входного напряжения.
Зависимость частоты срабатывания от напряжения на входе реле при разных сопротивлениях резистора R* показана на рис 24
Формирователь Ф1 имеет два вводных диода Д4 и Д5 Через диод Д5 подается напряжение от измерительной цепи, настроенной на уставку АЧР, а через д»юд Д4 — от измерительной цепи, настроенной па уставку АПВ после АЧР (если соединены выводы 5 и 6 реле) (рис 6).
Поскольку уставка АПВ после АЧР выше, чем уставка АЧР, напряжение, подаваемое через Д4, всегда опережает напряжение, подаваемое через Д5 На рис 25 показано, что импульс формирователя Ф1 при одновременном воздействии на него двух измерительных цепей реле оказывается шире одного полупериода промышленной частоты, а его начало совпадает с переходом через нуль напряжения с измерительной цепи ЧАПВ При этом предполагается, что формирователь обладает весьма высокой чувствительностью, г с уровень чувствительности во много раз меньше амплитуды синусоидального напряжения на входе формирователя.
Рис 25 Импульсы формирователя Ф1 при одновременном воздействии на него напряжений двух измерительных цепей
1 — напряжение измеритель ной цепи ЧАПВ 2 — то же АЧР 3 — импульсы на выходе формирователя
Таким образом, при поданном на вход реле достаточно большом переменном напряжении (более 40 В) формирователи вырабатывают прямоугольные импульсы Начала импульсов практически совпадают с переходам напряжения на входе формирователя через нуль По мере уменьшения напряжения на входе реле уменьшается и амплитуда переменного (напряжения на входе формирователей Уровень чувствительности формирователя становится соизмеримым с напряжением на его входе Это приводит к тому, что начала импульсов смещаются относительно перехода через нуль переменного напряжения Сказанное иллюстрируется рис 23 Чувствительность формирователей, несмотря на применение дополнительного корректирующего резистора, несколько различна поэтому смешения импульсов формирователей относительно перехода переменного напряжения через нуль неодинаковы. Когда напряжение на входе реле снизится настолько, что амплитуда напряжения на входе формирователя станет меньше уровня чувствительности формирователя, импульсы прекратятся При этом транзистор формирователя остается открытым, что соответствует отсутствию импульса на выходе.
В реле РЧ-1 импульсы исчезают при напряжении на входе реле около 1,5 В.
Импульсы с формирователей поступают на фазочувствительный элемент, который состоит из транзисторов ТЗ и Т4 (МП42Б), диодов Д10—Д12 (Д223Б), резисторов R11—R16 (МЛТ), конденсатора С2 (МБМ) Принцип действия этого элемента был рассмотрен выше (рис 20) Транзисторы ТЗ и Т4 на полной схеме реле соответствуют транзисторам 77 и Т2, показанным на рис 20, резистор R10 — резистору R4, приведенному на рис. 20 и 21, a R11 — резистору R1 на рис. 20 и R4 на рис 21 В качестве ключей К1 и К2 (рис 20) служат формирователи импульсов Ф/ и Ф2 соответственно Импульс на выходе формирователя соответствует разомкнутому, отсутствие импульса — замкнутому ключу. Таким образом, фазочувствительный элемент фиксирует порядок поступления импульсов от формирователей Если сначала поступает импульс от формирователя Ф2, то транзистор Т4 кратковременно открывается 1 раз в период Иначе говоря, на выходе фазочувствительного элемента появляются положительные импульсы Если же импульсы от формирователей Ф1 и Ф2 поступают одновременно или сначала поступает импульс от Ф1, транзистор Т4 остается закрытым, т. е импульсов на выходе фазочувствительного элемента нет.
При достаточно высокой чувствительности формирователей импульсов, когда уровень чувствительности во много раз меньше амплитуды напряжения на входе, можно считать, что начало импульса совпадает с переходом переменного напряжения на входе формирователя через нуль Сравнивая моменты начала импульсов от двух формирователей, сопоставляем моменты перехода через нуль напряжений на входе формирователей, т е сравниваем по фазе переменные напряжения, поданные иа вход формирователей Если импульс от формирователя Ф2 начинается раньше, чем от Ф1, это означает (см рис 2), что напряжение на входе Ф2 (t/0) опережает напряжение на входе Ф1 (Uj).
Выше было показано, что при частоте сети выше уставки реле напряжение О0 опережает Uf. При частоте сети, равной уставке, эти напряжения совпадают по фазе и при частоте сети ниже уставки напряжение 0о отстает от напряжения Of (§ 1 и рис. 4). Следовательно, если на выходе фазочувствительного элемента есть положительные импульсы (открывается транзистор Т4 1 раз в период), то частота сети выше уставки реле. Если частота сети равна уставке или ниже ее, то импульсов иет. Таким образом, команда на срабатывание подается именно фазочувствительным элементом и заключается в прекращении положительных импульсов. Команда на возврат реле заключается в появлении положительных импульсов (на выходе фазочувствительного элемента).
Ширина положительного импульса, т. е. длительность открытого состояния транзистора Т4, может быть различной Если частота сети значительно выше уставки реле, то напряжение Cf:, намного опережает Uf. Импульс от формирователя Ф1 приходит, когда конденсатор С2 уже зарядился и транзистор Т4 уже закрылся В этом случае ширина положительного импульса определяется временем заряда С2 и составляет около 1 мс. Если частота сети близка к уставке, то импульс от формирователя Ф1 приходит до окончания заряда С2. Транзистор Т4 закрывается в момент начала импульса от формирователя Ф1, следовательно, он открыт менее 1 мс. По мере уменьшения частоты сети импульс на выходе фазочувствительного элемента становится короче.
Разная чувствительность формирователей приводит к разному смещению начал импульсов относительно перехода переменного напряжения на входе формирователя через нуль, что особенно заметно при низком напряжении. В таком случае одновременный приход импульсов от формирователей Ф1 и Ф2 уже не говорит о совпадении напряжений (U0 и Of) на входе формирователей по фазе. Если чувствительнее формирователь Ф1, то одновременный приход импульсов будет, когда U0 еще опережает Uf, т. е. когда частота сети выше уставки реле (рис. 26). Это приведет к срабатыванию реле при частоте в сети выше уставки. Если чувствительнее формирователь Ф2, то реле будет срабатывать при частоте в сети ниже уставки (если пренебречь влиянием уменьшения крутизны характеристики намагничивания дросселя).
Чтобы исключить неправильную работу реле при низком переменном напряжении, выполнена специальная блокировка. Если напряжение на входе реле менее 10—15 В (или совсем отсутствует), то транзистор Т4 открыт через диод Д10 и резистор R14 независимо от взаимного расположения импульсов формирователей. Открытое состояние транзистора Т4 (длительный положительный импульс) является запретом на срабатывание
Рис. 26. Взаимное расположение напряжении на входах формирователей Ф1 и Ф2 в момент одновременного начала импульсов на их выходах при разной чувствительности формирователей. а — чувствительность формирователя Ф1 лучше, чем Ф2\ 6 — чувствительность Ф2 лучше, чем Ф1, Ф1 и Ф2 — уровни чувствительности формирователей. 1 — импульсы формирователя Ф1, 2— то же, Ф?
реле. Когда величина переменного напряжения на входе реле достаточна для точной работы фазочувствительного элемента, на отрицательный вывод диода Д10 подается положительное смещение с конденсатора С1. Диод Д10 закрывается, отделяя базу транзистора Т4 от шинки —12 В. С этого момента транзистор Т4 управляется только формирователями импульсов. Благодаря этой блокировке исключается также неправильное срабатывание реле РЧ-1 при подаче и снятии переменного напряжения.
Таким образом, совместная работа измерительных цепей, формирователей импульсов и фазочувствителного элемента обеспечивает выработку:
запрещающего сигнала в виде длительного положительного импульса на выходе фазочувствительного элемента при недостаточном переметном напряжении на входе реле независим от его частоты или при отсутствии этого напряжения, запрещающего сигнала в виде кратковременных положительных импульсов на выходе фазочувствительного элемента при нормальной величине переменного напряжения на входе реле с частотой выше уставки;
разрешающего сигнала (отсутствие положительных импульсов на выходе фазочувствительного элемента) при нормальной величине переменного напряжения на входе реле с частотой, равной уставке или ниже ее.
Сигналы с фазочувствительного элемента поступают на вход первого каскада усилителя У (рис. 2). Этот каскад состоит из транзисторов Т5 (МШ13А) и Т6 (МП42Б), диодов Д13—Д16 (Д223Б), резисторов R16— R23 (МЛТ), конденсатора СЗ. Резистор R16 можно считать принадлежащим как первому каскаду усилителя, так и фазочувствительпому элементу, а резистор R21— второму каскаду усилителя. Работа такого усилительного каскада была рассмотрена выше (рис. 19). В данном случае транзисторы ТЬ и Т6. соответствуют транзисторам 77 и Т2 (рис. 19), а в качестве управляющего ключа служит выходной транзистор Т4 фазочувствительного элемента. Если он открыт, что соответствует замкнутому ключу К на рис. 19, то открыт и выходной транзистор первого каскада усилителя Т6. Закрытие транзистора Т6 происходит через некоторое время после закрытия транзистора Т4 за счет заряда конденсатора СЗ (соответствует С2 на рис. 19). Разряд конденсатора СЗ происходит практически мгновенно в момент открытия транзистора Г4. Время, на которое задерживается закрытие транзистора Т6 для реле РЧ-1 составляет около 1 мс. Даже при очень кратковременном открытии транзистора Т4 транзистор Т6 откроется не менее чем на 1 мс, т. е. произойдет расширение импульса от фазочувствительно элемента, в связи с чем этот каскад называют иногда расширителем импульсов. Расширение импульсов необходимо для надежного разряда конденсаторов второго каскада усилителя, обеспечивающих выдержку времени реле.
Итак, при частоте в сети выше уставки реле транзистор Т6 открывается 1 раз в период на время около 1 мс. Открытие транзистора Т6 происходит при открытии транзистора Т4, т. е. в момент начала импульса формирователя Ф2. При отсутствии переменного напряжения на входе реле транзистор Т6 длительно открыт. При частоте в сети, равной уставке или ниже, транзистор
Т6 не открывается. Транзистор Т6 является управляющим для второго каскада усилителя, который отличается от первого только тем, что замедляющие конденсаторы подключены на вход усилителя (соответствуют конденсатору С1 на рис. 19) и емкость их значительно больше. В состав каскада входят транзисторы 77 (МП 11 ЗА) и Т8 (МП42Б), диоды Д17—Д20, резисторы R21—R30, конденсаторы С4, 6С—8С. Транзисторы 77 и Т8 соответствуют транзисторам 77 и Т2 (рис. 19). В качестве ключа служит транзистор Т6. При открытом Т6 конденсаторы С4, 6С—8С шунтированы, транзисторы 77 и Т8 открыты. В момент закрытия транзистора Т6 начинается заряд конденсаторов С4, 6С—8С, транзисторы 77 и Т8 еще остаются открытыми Если частота сети выше уставки реле, то конденсаторы не успеют зарядиться до напряжения, при котором закроется транзистор 77 (а затем Т8), поскольку транзистор Т6 вновь откроется и зашунтирует конденсаторы С4, 6С—8С. Когда частота в сети станет равной уставке, транзистор Т6 перестанет открываться и конденсаторы С4, 6С—8С зарядятся до напряжения закрытия транзистора 77. Одновременно закроется и транзистор Т8, т. е. усилитель сработает.
Время срабатывания усилителя определяется емкостью конденсаторов, подключенных на вход второго каскада. Если подключены конденсаторы 6С—8С, то оно составляет около 0,5 с, если подключен только конденсатор 6С, то 0,15 с. При подключении конденсаторов 6С и 7С это время составляет около 0,3 с.
При открытии транзистора Т6 конденсаторы выдержки времени полностью разряжаются Если в процессе набора выдержки времени па выходе фазочувствительного элемента появится хотя бы один положительный импульс (кратковременно откроется транзистор Т4), конденсаторы разрядятся и отечет выдержки времени начнется сначала.
Таким образом, при отсутствии на входе реле переменного напряжения (транзистор Т6 длительно открыт) и при частоте в сети выше уставки (транзистор Т6 открывается 1 раз в период) выходной транзистор Т8 длительно открыт. После понижения частоты в сети на время, большее времени срабатывания, транзистор Т8 закрывается.
Транзистор Т8 является управляющим для выходного каскада (принцип действия рассмотрен выше, см. рис 18). Открытый транзистор Т8 соответствует замкнутому ключу К, закрытый — разомкнутому. Следовательно, при срабатывании усилителя открывается транзистор Т9 и срабатывает выходное реле.
Если отключить все замедляющие конденсаторы 6С—8С, то в течение одного периода промышленной частоты оставшийся конденсатор С4 будет успевать заряжаться до напряжения закрытия транзистора 77. Тогда транзистор Т8 будет закрываться 1 раз в период, а транзистор Т9 будет открываться 1 раз в период, по обмотке реле будет проходить пульсирующий ток. Для срабатывания реле этого тока недостаточно, одного его иногда хватает для удержания реле, если оно по каким- либо причинам сработает. В связи с этим эксплуатация реле с отключенными замедляющими конденсаторами недопустима.
Теперь проследим работу всей схемы от формирователей до выходного реле. При частоте переменного напряжения на входе реле выше уставки импульс формирователя Ф2 начинается раньше импульса формирователя Ф1, в связи с чем транзистор Т4 открывается током заряда конденсатора С2 ] раз в период. При этом 1 раз в период открывается транзистор Т6, который шунтирует конденсаторы С4, 6С—8С и не дает им зарядиться до напряжения закрытия транзистора 77. Следовательно, остается открытым транзистор Т8, чем обеспечивается надежное закрытие транзистора Т9. Выходное реле при этом не обтекается током и не срабатывает. Как только частота напряжения на входе реле понизится до уставки, импульс формирователя Ф1 будет начинаться одновременно с импульсом формирователя Ф2. Транзистор ТЗ будет открываться в момент начала заряда конденсатора С2, ток заряда будет проходить не по переходу эмиттер — база транзистора Т4, а по транзистору ТЗ. Транзистор Т4 останется закрытым, не будет открываться и транзистор Т6. После заряда замедляющих конденсаторов закроются транзисторы 77 и Т8 и откроется Т9. Выходное реле сработает.
Рассмотрим характер импульсов в тех или иных точках схемы реле, которые можно увидеть на экране электронного осциллоскопа (рис. 27). Заземленный зажим осциллоскопа нужно подсоединить к шинке О, другой зажим — к коллектору соответствующего транзистора.
Рис. 27. Импульсы в характерных точках схемы реле РЧ-1 (относительно шинки 0).
/ — коллектор транзистора 77; г —то же. Т2-. 3 — то же, Т4-. 4— то же, Т5; 5 —то
Начнем с формирователей импульсов (транзисторы 77 и Т2). Открытое состояние транзистора 77 соответствует верхнему краю изображения; импульс (закрытое состояние транзистора) располагается ниже. Импульс на коллекторе транзистора 77 должен быть прямоугольным, ширина его примерно равна ширине паузы, амплитуда около 5 В. Напряжение на коллекторе транзистора 77, измеренное вольтметром постоянного напряжения, должно быть 2—2,5 В (в 2 раза меньше амплитуды за счет пауз, примерно равных по длительности импульсу).
Левая часть импульса па коллекторе транзистора Т2 (начало импульса) непрямоугольная. Увеличение напряжения на коллекторе определяется процессом заряда конденсатора С2. Продолжительность заряда конденсатора С2 составляет около 1/3 длительности импульса, т. е. 2,5—3,5 мс. Амплитуда импульса должна быть около 12 В (при измерении вольтметром 4,5— 5,5 В).
Характер импульсов на коллекторах транзисторов 77 и Т2 практически не зависит от частоты переменного напряжения на входе реле РЧ-1.
Рис. 27. Импульсы в характерных точках схемы реле РЧ-1 (относительно шинки 0).
/ — коллектор транзистора 77; г —то же. Т2-, 3 — то же, Т4-. 4— то же, 75; 5 —то
Переходим к рассмотрению импульсов на транзисторе Т4. Как было отмечено раньше, этот транзистор кратковременно открывается J раз в период, если частота переменного напряжения на входе реле РЧ-1 выше уставки. Открытое состояние транзистора Т4 и считается обычно импульсом, хотя напряжение на транзисторе в этот момент близко к нулю. Амплитуда импульса должна" быть близка 12 В, его ширина незначительна — около 1 мс. При приближении частоты переменного напряжения к уставке реле ширина импульса уменьшается, при исчезновении импульсов реле срабатывает.
Измеренное вольтметром напряжение на коллекторе транзистора Т4 немного меньше амплитуды импульса. Вольтметр, измеряющий только переменную составляющую, покажет незначительное напряжение, исчезающее при срабатывании реле.
Импульсы на коллекторе транзистора Т5 будем рассматривать не относительно эмиттера этого транзистора. а относительно шинки 0, чтобы не изменять подключение осциллоскопа. При открытом транзисторе Т5 напряжение на его коллекторе близко к напряжению эмиттера и составляет около —6 В. При закрытом транзисторе Т5 напряжение на его коллекторе равно падению напряжения на открытом диоде Д16 и составляет около 0,5 В. Провалы на экране соответствуют открытому транзистору, верхняя граница изображения —закрытому. Ширина (длительность) провалов зависит от частоты переменного напряжения и составляет 1—2 мс. Амплитуда импульсов должна быть около 6,5 В. При частоте переменного напряжения на входе реле, равной уставке, импульсы пропадают —транзистор TS остается длительно закрытым. Если частота переменного напряжения выше уставки, то напряжение на коллекторе транзистора Т5, измеренное вольтметром относительно шинки 0, обычно бывает —0,1:0,3 В. Отрицательный знак появляется из-за того, что в провалах напряжение на коллекторе —6 В, небольшая величина напряжения объясняется тем, что провалы относительно узки. Иногда напряжение па коллекторе транзистора Т5 бывает даже положительным до 0,1 В. Напряжение между эмиттером и коллектором транзистора Т5, измеряемое вольтметром, составляет до срабатывания около 6 В, после срабатывания 6,5 В. Незначительно изменение показаний вольтметра при срабатывании реле объясняется малой шириной провала, исчезающего, когда частота переменного напряжения равна уставке на реле РЧ-1.
Импульсы на коллекторе транзистора Т6 напоминают импульсы на коллекторе транзистора Т2. После закрытия транзистора напряжение па его коллекторе нарастает по мере перезаряда конденсатора СЗ. Амплитуда импульсов составляет около 12 В, при срабатывании реле импульсы исчезают, так как транзистор Т6 остается длительно закрытым. Измеренное вольтметром напряжение на коллекторе транзистора Т6 составляет
7,5—10 В при частоте напряжения на входе реле выше уставки и на 1,0—1,5 В выше при частоте, равной уставке или ниже ее.
Транзисторы 77—Т9 не переключаются каждый период, поэтому импульсов напряжения на их коллекторах наблюдать нельзя.
Рассмотрим особенности устройства реле повышения частоты РЧ-2. Принцип действия и структурная схема реле РЧ-1 и РЧ-2 одинаковы. Срабатывание и того и другого реле происходит при условии равенства частоты сети и резонансной частоты используемой измерительной цепи. Чтобы реле РЧ-2 при частоте сети выше уставки находилось в сработанном состоянии, несколько изменен фазочувствительный элемент. Формирователи (транзисторы П и Т2), все каскады усилителей (транзисторы Т5—Т9) и блок питания реле РЧ-1 и РЧ-2 абсолютно аналогичны. Совместная работа измерительных цепей, формирователей импульсов и фазочувствительного элемента обеспечивают (сравните с работой РЧ-1) выработку:
запрещающего сигнала в виде длительного положительного импульса на выходе фазочувствительного элемента при недостаточном переменном напряжении на входе реле независимо от его частоты или при отсутствии этого напряжения;
запрещающего сигнала в виде кратковременных положительных импульсов на выходе фазочувствительного элемента при нормальном переменном напряжении на входе реле с частотой ниже уставки;
разрешающего сигнала (отсутствие положительных импульсов на выходе фазочувствительного элемента) при нормальном переменном напряжении на входе реле с частотой, равной уставке, или выше ее.
Рис. 28. Фазочувствительный элемент реле РЧ-2.
В реле РЧ-2 запрещающие импульсы — кратковременное открытие транзистора Т4 — обеспечиваются, если напряжение 0о отстает от напряжения Of (рис. 1), что соответствует частоте сети ниже частоты уставки. Сравнение фаз напряжений tjQ и Of осуществляют, сравнивая моменты конца импульсов формирователей. Реле не работает, если импульс от формирователя Ф2 кончается позже, чем импульс от формирователя Ф1, На рис. 28 показан фазочувствительный элемент реле РЧ-2. Обозначения на схеме такие же, как на полной принципиальной схеме реле РЧ-2 в [6]; дополнительным по отношению к реле РЧ-1 является только резистор R35.
Как и раньше, примем, что импульс формирователя соответствует разомкнутому, отсутствие импульса—замкнутому ключу, ключи К1 и К2 соответствуют формирователям Ф1 и Ф2. При разомкнутых ключах К1 и К2 транзистор ТЗ открыт (так как сопротивление резистора R35 меньше, чем R13 и база транзистора ТЗ отрицательна) и шунтирует переход эмиттер — база транзистора Т4; поэтому транзистор Т4 тоже закрыт. При замыкании ключа К'1 потенциал базы транзистора ТЗ скачком увеличится (станет положительнее) на величину напряжения, до которого был заряжен конденсатор С2, транзистор ТЗ закроется на время разряда конденсатора С2. Если к этому моменту ключ К2 еще разомкнут, то транзистор Т4 кратковременно откроется.
При замкнутом ключе К2 транзистор Т4 закрыт независимо от состояния транзистор а ТЗ, т. е. не зависит от состояния ключа Ю- При размыкании ключей транзистор ТЗ остается открытым, поэтому транзистор Т4 не имеет возможности открыться. Следовательно, работа фазочувствительного элемента определяется порядком замыкания ключей К1 и К2, т. е. порядком прекращения импульсов от формирователей Ф1 и Ф2. Если сначала исчезает импульс Ф1 (напряжение Uf опережает напряжение 0о), то транзистор Т4 кратковременно открывается 1 раз в период, т. е. вырабатывается запрещающий сигнал. Если импульсы исчезают одновременно или раньше исчезает импульс формирователя Ф2, то транзистор Т4 не открывается, что соответствует команде на срабатывание реле. Во всем остальном работа реле РЧ-2 не отличается от работы реле РЧ-1.
На этом заканчивается рассмотрение принципа действия и устройства реле частоты РЧ. Некоторые дополнительные сведения питатель может найти в заводской технической документации и в сети.
