Коммутаторы аналоговых и цифровых сигналов

Автоматизированные системы управления включают множество подсистем и устройств, находящихся в связи друг с другом и образующих определенную систему при взаимо­действии с внешней средой.

Реализация алгоритмов функционирования АСУ предполагает организацию разнообразных связей между ее элементами как постоян­ных, так и временных, обеспечивающих включение, выключение, пе­реключение элементов, распределение сигналов и т.д.

Устройства автоматизированных систем, осуществляющие требу­емые соединения их элементов, носят название коммутационных устройств (КУ).

Коммутационные устройства в автоматизированных системах вы­полняют самые разнообразные функции, начиная с простейших опера­ций включения (выключения) до операций, реализующих сложнейшие логические функции, обеспечивающие заданный режим функциониро­вания систем.

Разнообразие функций, выполняемых коммутационными устройст­вами, определяет и обилие физических и конструктивных принципов используемых для их создания.

Центральное место в теории и практике коммутационных устройств занимает точка коммутация (электрический контакт),являющаяся исполнительным органом устройства.

Надежность и требуемые параметры контакта в точке коммута­ции определяют качество работы всей системы.

В своем развитии коммутационные устройства проделали путь от скрутки проводников и простейшего выключателя до устройств, основанных на принципах оптоэлектроники и фазовых переходов в материалах.

На (рис. 2. ) изображена функциональная схема коммутационного устройства. При отсутствии сигнала управления цепь питания нагрузки разомкнута в

точке коммутации (исполнительный элемент) за счет большого переходного сопротив­ления. При подаче сигнала управления устройство управления из­меняет переходное сопротивление до минимальной величины и цепь источника света оказывается замкнутой.

Таким образом, исполнительный элемент предназначен для ком­мутации (замыкания или размыкания) электрической цепи за счет изменения переходного сопротивления в точке коммутации.

Управляющее устройство служит для создания воздействия на точку коммутации с целью изменения ее переходного сопротивления.

Разнообразие физических принципов, положенных в основу функ­ционирования точек коммутации и способов управления переходным сопротивлением,

определяет представительное множество техниче­ских решений при создании коммутационных устройств автоматизи­рованных систем.

Классификация простейших коммутационных устройств приведена на (рис.2. ..)

Рассмотрим основные виды контактных и бесконтактных КУ.

К контактным КУ относятся:

- электромагнитные реле постоянного и переменного тока;

- магнитоуправляемые контакты (герконы);

- ферриды;

- контакторы.

Рассмотрим принцип действия перечисленных контактных КУ.

Электромагнитные реле постоянного тока

Самое широкое применение нашли электромагнитные реле постоянного тока. Принцип действия нейтрального реле постоянного тока объясним с использованием (рис. 2 . ).

При отсутствии сигнала управления Uупр якорь 3 электромагнита под действием возвратной пружины 6 на­ходится в наиболее удаленном от сердечника 1 положении. Штифт 4 не воздействует на подвижный контакт 5 , контакты 5 и 7 разомк­нуты и нагрузка Rн отключена от источника питания.

При подаче сигнала управления в обмотке электромагнита 2 поте­чет ток и якорь 3 притянется к сердечнику под действием электро­магнитной (тяговой) силы Fэ. (Для предотвращения залипания якоря к сердечнику служит так называемый штифт- отлипания 8 ). Движение якоря через штифт 4 передается на подвижный контакт, он замыкается с неподвижным контактом, и электрическая цепь нагруз­ки оказывается замкнутой. Нагрузка получает питание от источ­ника Uп.

При снятии сигнала управления под действием возвратной пружины 6 якорь возвращается в исходное положение, контакты 5 и 7 размыкаются, нагрузка отключается от источника питания.

Смена знака сигнала управления не. изменяет характер работы реле, т.е. нейтральное реле не реагирует на знак сигнала управ­ления, что является существенным их недостатком.

В автоматизированных системах управления и контроля в боль­шинстве случаев информация, содержащаяся в знаке сигнала, имеет чрезвычайно важное значение. Поэтому были разработаны поляризо­ванные реле, которые реагируют как на величину, так и на знак сигнала управления.

В отличие от нейтрального реле, конструкция поляризованного реле предусматривает создание и взаимодействие в магнитной си­стеме двух магнитных потоков: одного от постоянного магнита и второго от обмоток электромагнита. Для этой цели (рис. 2. ) в магнитопровод включен постоянный магнит 1 , создающий постоян­ный поляризующий поток Ф₀ , разделяющийся в зазорах и меж­ду якорем и основным магнитоводом на две части: Ф₁ и Ф₂. , на­правленные в зазорах в противоположные стороны.

Катушка электромагнита состоит из двух частей, расположенных на противоположных стержнях магнитовода и включенных соглас­но. Катушки электромагнита создают магнитный поток Ф_у, направ­ленный в зазорах и со

гласно. Подвижный якорь 4соеди­нен о подвижным контактом 5 контактной системы, включающей еще два неподвижных контакта 6 и 7 .

Магнитоуправляемые контакты (герконы)

В электромагнитных реле обычного исполнения наиболее нена­дежными элементами являются контакты, подвергающиеся воздейст­виям окружающей среды (пыль, влажность, газы, вызывающие кор­розию). Герметизация контактов в значительной мере повышает надежность работы контактов и реле в целом.

Герметизированные контакты (герконы) представляют собой две пластинки из пермаллоя 1, впаянные в стеклянную трубоч­ку 2 (рис.1 2. .а ) Пластинки выполняют одновременно роль магнитопровода и контактных пружин, а их концы 3 являются контакта­ми. Пространство внутри трубочки заполнено азотом или инертным газом. К наружным концам пластин могут припаиваться соедини­тельные провода.

Пластинки в трубке впаиваются так, что в нормальном состо­янии контакты разомкнуты. Если геркон поместить в магнитное поле, направленное вдоль

пластин, то в воздушном зазоре между контактами возникает электромагнитное усилие. Контакты замкнут­ся, если это усилие будет больше механических сил упругости пружин.

Магнитное поле, управляющее контактами, создается током в обмотке, представляющей собой соленоид, внутри которого поме­щен геркон (рис. 2. .в).

Улучшение контакта (уменьшение переходного сопротивления) между пластинами геркона достигается покрытием их концов золо­том, радием, серебром.

При подаче сигнала управления ток, протекающий по обмотке, создает магнитный поток, замыкающийся внутри обмотки по ферро­магнитным пластинам. Пластины, притягиваются друг к другу и за­мыкают контакты. При снятии сигнала управления ток и магнитный поток уменьшаются до нуля, а пластины-контакты возвращаются в исходное положение.

Феррид

Феррид представляет собой модификацию реле с герконами, в которой магнитопровод выполнен из феррита (рис. 2.а). Феррит, как известно, обладает

прямоугольной петлей гистерезиса. Поэто­му, в отличие от обычного реле, для управления контактами до­статочно подать сигнал управления в виде короткого импульса тока, после окончания которого контакты остаются замкнутыми за счет остаточного магнитного потока ферромагнетика. Для раз­мыкания контактов необходимо в обмотку управления подать им­пульс противоположного знака. Величина обратного импульса тока не должна, однако, создавать напряженность, превышающую коэр­цитивную силу, так как в противном случае возможно новое замы­кание контактов от магнитного потока противоположного зна­ка (рис. 2. в).

Феррид, помимо функции переключения, выполняет еще функ­ции элемента памяти. Включение и выключение феррида осуществляется импульсами тока микросекундной длительности, что делает его быстродействующим коммутационным прибором.

Контакторы

Контакторами называют электромагнитные реле, предназначен­ные для включения и выключения силовых цепей с током от деся­ти до сотен ампер и напряжением до нескольких сотен вольт.

Обмотка обычного реле после срабатывания остается под то­ком с целью удержания контактов в замкнутом состоянии. Такой режим работы энергетически не выгоден. Это особенно невыгодно, когда длительно остаются под током мощные реле, питающиеся от автономных источников с ограниченным запасом энергии.

С целью экономии электроэнергии в автономных автоматиче­ских системах применяют электромагнитные коммутационные устрой­ства - контакторы (дистанционные переключатели).

Экономия энергии достигается за счет самоудержания (само­блокировки) якоря реле, не связанного с потреблением электро­энергии,

Самоблокировка якоря может быть механической и магнитной. При механической блокировке якорь удерживается в требуемом по­ложении специальной защелкой с пружиной (рис.19,а). В случае магнитной блокировки контактор выполняется из двух реле с об­щим якорем и постоянным магнитом (рис.19,б). Удержание якоря в требуемом положении осуществляется за счет магнитных сил, создаваемых полем постоянного магнита.

Электрическая блокировка рабочей и отбойной обмоток контактора (рис. 19,в) состоит в том, что реле, сработавшее первым (например, рабочее), готовит своими контактами цепь питания вто­рого (отбойного), которое, сработав, разрывает цепь питания рабочего реле. Благодаря такой блокировке, любое реле после срабатывания обесточивается и не потребляет электроэнергию. Од­новременно готовится цепь питания того реле, с помощью которо­го контактор должен изменить свое состояние в будущем.

Управляющие сигналы для включения и выключения контактора по­даются в виде кратковременных импульсов.

К бесконтактным КУ относятся:

- диодный ключ;

- транзисторный ключ;

- тиристорный ключ;

- КУ на основе оптрона;

- КУ на основе явления фазового перехода.

В последнее время прослеживается уверенная тенденция к за­мене механического контакта бесконтактной точкой коммутации на основе электронных устройств.

Бесконтактные электронные приборы, обладая высоким быстро­действием, малым энергопотреблением, малой массой и объемом, располагая технологичностью производства, имеют и существенные недостатки. Они уступают контактным аналогам в радиационной стойкости, электрической прочности, имеют недостаточно высокий коммутационный коэффициент, низкую помехозащищенность, цепи управления гальванически не развязаны с исполнительными цепями.

Все это пока оправдывает сосуществование электромеханических, электронных схем автоматики.

В коммутационных устройствах, выполненных на основе полу­проводниковых диодов и транзисторов, точкой коммутации является внутреннее сопротивление этих элементов.

Принцип действия диодного ключа рассмотрим на примере схемы (рис.21,0.). При отсутствии сигнала управления Uупр =Uд = 0 диод закрыт и Uвых = Iд Rн=0

При подаче сигнала управления (U_д = U_у > 0,35...0,5 В для гер­маниевых и 0,5...О,7 В для кремниевых диодов) диод открывается и ток I_Д, протекая по R_H , создает выходной сигнал Uвых = I_Д · R_H.

В закрытом состоянии сопротивление диода составляет 10⁵... 10⁶ Ом, в открытом состоянии единицы - десятки Ом. Коммута­ционный коэффициент тона 10⁵ ...10⁶ .

Транзисторные ключи получили наиболее широкое применение в схемах различного назна­чения. Принцип действия транзисторного ключа рассмотрим на при­мере схемы, изображенной на (рис. 22)

В основе работы транзистора как точки коммутации лежит так называемый ключевой режим работы транзистора. Ключевой режим работы предполагает нахождение транзистора в двух состояниях: включенном (насыщенном) и выключенном. Включенное состояние ха­рактеризуется возможно меньшим сопротивлением R_кз , выключенное как можно большим. Как известно, соотношение

этих сопротивлений определяет коммутационные способности устройства.

При отсутствии смещения на базе транзистор находится в выключенном состоянии и ток через ключ не протекает напряжение на нагрузке U_н = U_вых = 0. Состояние «ключ закрыт».

При подаче смещения на базу транзистор открывается (находится во включенном состоянии) через ключ протекает ток и с сопротивления нагрузки снимается напряжение U_вых = I_k · R_н . Состояние «ключ открыт».

Тиристорный ключ

Другим полупроводниковым прибором, широко используемым для целей коммутации электрических цепей, является тиристор.

Принцип использования тиристора в качестве точки коммутации основывается на различии внутреннего сопротивления в открытом и закрытом состояниях.

В закрытом состоянии Iу = 0 через тиристор протекает ток утечки (остаточный. ток), величина которого зависит от подведенного к участку анод - катод напряжения Uп . При этом Uп < Uвкл тиристора. Остаточный ток зависит от Uп и типа тиристора и ко­леблется от единиц до десятков ma .

На (рис. 24), приведен пример схемы тиристорного ключа. При выключенном состоянии тиристора нагрузка Rн не получает пита­ния от источника тока Un .

При подаче управляющего сигнала I_у тиристор включается, его внутреннее сопротивление уменьшается до минимума и нагрузка оказывается подключенной к источнику питания.

Для выключения тиристора необходимо выключить источник пи­тания U_п.

Тиристор, как точка коммутации, уступает по некоторым па­раметрам (I_ocm , U_ост , быстродействие) транзисторным ключам, но имеет то достоинство, что может коммутировать большие мощ­ности. Последнее определяет область применения тиристоров как коммутационных устройств в системах электроснабжения и управле­ния электродвигателями.

Коммутирующие устройства на основе оптронов

Коммутационные устройства, использующие оптроны, имеют ряд , существенных преимуществ перед другими типами бесконтактных аналогов.

Основным достоинством оптронных коммутирующих устройств является полная гальваническая развязка цепей управления от исполнительных. Благодаря этому, легко обеспечивается развязка между отдельными моментами и участками схемы, например, для связи между схемами положительной и отрицательной логики, для согласования высоковольтных и низковольтных цепей.

Другим достоинством является совместимость их с интеграль­ными микросхемами.

В настоящее время разработано большое количество оптоэлект-ронных устройств различного назначения, основным из которых яв­ляется оптрон. Существуют резисторные, диодные, транзисторные и тиристорные оптроны (название присваивается по виду выходно­го элемента).

В коммутационных устройствах, выполненных на основе оптронов, точкой коммутации является внутреннее сопротивление диода, транзистора или тиристора.

Принцип действия этих приборов основан на изменении внут­реннего сопротивления при воздействии на них светового излуче­ния. Сигналом управления служит поток световой энергии, создава­емый излучателем. Наиболее широкое применение в качестве излу­чателей нашел излучающий диод (светодиод).

Для примера разберем принцип действия оптронного ключа, схе­ма которого изображена на (рис. 25 а) Ключ собран на транзистор­ном оптроне.

Сопротивление R_кэ фототранзистора включено после­довательно в цепь передачи сигнала от источника U_вх к R_н .При отсутствии, сигнала управления тран

зистор закрыт и цепь подачи сигнала в нагрузку разомкнута. При подаче сигнала управления светодиод преобразует электрическую энергию сигнала управления в световое излучение, которое по оптическому каналу связи пе­редается на базу фототранзистора и переводит его в режим насы­щения. Переходное сопротивление транзистора R_кэ уменьшается до минимума и нагрузка подключается к источнику сигнала.

Диодные и.транзисторные оптроны широко применятся для ком­мутации сигналов малой мощности и в качестве развязывающих эле­ментов в транзисторных ключах.

Существенным недостатком оптронных ключей является их не­достаточное быстродействие по сравнению с электронными схемами. Однако существует ряд схемных решений и приемов, позволяющих этот недостаток свести к минимуму

Для осуществления коммутации в цепях большой мощности при­меняются тиристорные оптроны. Так, применение мощных тиристор7ных оптронов позволяет переключать напряжение до 1300 В и ток до 300 А, причем цепь управления выполняется на интегральных схемах.

На рис. 25,6 изображена схема ключа на тиристорном оптроне.

Промышленность выпускает большой набор оптоэлектронных мик­росхем для цифровых и аналоговых ключей.

Коммутационные устройства на основе явления фазового перехода

Фазовым переходом металл - полупроводник называется пере­ход, сопровождающийся сменой характера проводимости от полупро­водниковой к металлической (или наоборот). Этот переход проис­ходит под действием различных внешних параметров: температуры, давления, магнитного или электрического поля и т.д.

Среди многообразия вариантов перехода выделим фазовый пере­ход металл - полупроводник, происходящий при изменении темпера­туры. В настоящее время известно более 30 соединений элементов, обладающих при определенной температуре, называемой температу­рой перехода Т_фп , свойством изменять электропроводность от ме­талла (при температуре выше Т_фп) к полупроводниковой (при тем­пературе ниже Т_фп ).

Среди соединений, обнаруживающих фазовый переход металл -полупроводник, особое место принадлежит окислам ванадия, так как в этих веществах он проявляется наиболее ярко как физическое и прикладное явление. Кроме изменения электропроводности, окис­лы ванадия изменяют и свои оптические свойства, причем в обла­сти видимого спектра эти изменения различаются глазом.

Наиболее пригодной для практических целей является двуокись ванадия VО2.

На (рис. 26), изображена конструкция теплового реле. На металлическую подложку 1 наносится слой изолятора 2 и затем слой VO2 3, вновь покрываемый

изолятором. После этого напыляется нихромовый нагреватель 4 и формирушся контакты 5.

Принцип действия заключается в следующем. При температуре пленки VO2, меньшей, чем Тфп (70 °С), пленка обладает проводимостью полупроводника и имеет большое сопротивление (кон­такт разомкнут). При подаче сигнала управления к нагревателю он нагревает пленку до 70 °С, происходит фазовый переход и плен­ка приобретает проводимость металла. уменьшение сопротивления пленки эквивалентно замыканию цепи.

Данное реле занимает очень мало места и может изготовлять­ся по технологии изготовления микросхем. Пленка VО2 обеспечи­вает изменение проводимости в 10 раз. Площадь, занимаемая та­ким реле, составляет 0,3 мм . Мощность, подводимая к нагревате­лю, не более 100 мкВт. Частота переключения порядка 50...100 Гц.