Использование полупроводников и ферритовых сердечников в устройствах релейной защиты, автоматики и телемеханики позволяет повысить их быстродействие, уменьшить массу и габариты, значительно сократить потребление мощности. Кроме того, в связи с отсутствием движущихся частей и контактов устройства на полупроводниках и ферритовых сердечниках имеют более высокую надежность по сравнению с электромеханическими системами. Наиболее существенным недостатком, например, полупроводников является зависимость их параметров от температуры. Однако при соответствующем выполнении элементов эти недостатки можно свести к допустимым пределам.
В настоящее время наибольшее распространение получили полупроводниковые (германиевые и кремниевые) кристаллические диоды VD и триоды VT. Они содержат так называемые р-n - переходы, образованные на месте стыка кристалла с дырочной проводимостью р и кристалла с электронной проводимостью п.
Сопротивление такого перехода зависит от направления приложенного напряжения: оно велико в направлении п-р и мало в направлении р- п. Такимобразом, р- n-переход ведет себя как выпрямитель, что и используется в полупроводниковых диодах.
|
|
Использование р- n - перехода в полупроводниках позволяет не только выпрямлять переменный ток, но и усиливать электрические величины. Для этого применяют полупроводниковые кристаллы, имеющие два р- n - перехода и более. Кристаллический триод - транзистор имеет два p-n - перехода (рис. 3.1). Одна из областей р называется эмиттером Э, вторая - коллектором К, а область с проводимостью п - базой Б или основанием. Если между базой и коллектором приложить внешнее напряжение так, чтобы база получила более положительный потенциал (рис. 3.1, а), то в цепи коллектор - база будет проходить обратный ток I КБО, который весьма мал, — транзистор закрыт. Однако с момента приложения напряжения между базой и эмиттером так, чтобы эмиттер получил более положительный потенциал, в цепи эмиттер — база начнет проходить ток в прямом направлении (рис. 3.1,6). При этом и ток коллектора будет возрастать; он станет примерно равным току эмиттера. Таким образом, меняя ток эмиттера можно менять ток коллектора. Условное изображение транзистора показано на рис. 3.1, в.
Так как часть тока IЭ ответвляется в цепь базы IБ , то коллекорный ток меньш тока эмиттера IК = IЭ - IБ . Степень уменьшения тока IК х арактеризуется коэффициентом передачи тока h 21Б = ∆ IК / ∆IБ < 1. Поскольку h 21Б = const, ток коллектора
IК = h 21Б IЭ = IБ h 21Б (1- h 21Б) = IБ h 21Э
Для плоских транзисторов h 21Б = 0,9 ¸ 0,9. Таким образом, ток коллектора значительно больше тока базы. Так при h 21Б > 0.95 ток коллектора IK = 19IБ,, т.е. происходит усиление тока: ток выходной цепи IK больше тока входной цепи IБ, так как h 21Э > 1. Кроме того, сопротивление цепи эмиттер-база мало, а цепи эмиттер - коллектор весьма велико. Поэтому напряжение выходной цепи Uвых - нагрузки транзистора Rн (рис. 3.2) - значительно больше, чем напряжение входной Uвх. Поэтому происходит усиление и напряжения, в результате чего значительно усиливается мощность.
|
|
В схемах включения транзистора один из его выводов является входным, другой - выходным, а третий - общим относительно входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой из выводов является общим, различают схемы с общей базой (рис. 3.2, а), общим эмиттером (рис. 3.2,6) и общим коллектором (рис. 3.2,в). Индексы в обозначении коэффициентов h21 передачи и усиления тока относятся к одноименным схемам. Чаще других применяется схема с общим эмиттером, как обеспечивающая наибольшее усиление мощности. Наряду с транзисторами типа р-п-р существуют транзисторы с проводимостью n-р-п. При замене одного транзистора другим необходимо изменить полярность напряжения Ек его питания. Рассмотренный транзистор называется биполярным в отличие от униполярного полевого транзистора [З].
Наряду с транзисторами в устройствах защиты, автоматики и телемеханики применяются диоды. Среди них такие, например, как стабилитрон. Он представляет собой кремниевый диод, способный длительно работать в режиме обратного»пробоя. На обратной ветви его характеристики (рис. 3.3, а) имеется точка, соответствующая напряжению пробоя Uпрб р-n - перехода. После пробоя его обратный ток может изменяться в широких пределах, а обратное напряжение при этом остается практически неизменным. Это свойство стабилитрона используют для получения стабильного напряжения при изменяющемся напряжении источника.
На рис. 3.3, б показана схема включения стабилитрона. К источнику напряжения Uвх диод VD подключен в обратном направлении через резистор R с большим сопротивлением. Напряжение Uвх всегда превышает напряжение Uпрб, но изменяется в некоторых пределах. Напряжение Uвых на нагрузке Ra остается практически постоянным.
Основой ферромагнитных элементов является ферритовый сердечник с близкой к прямоугольной петлей перемагничивания (гистерезиса). Свойства таких магнитных материалов уже описаны (см. § 1.3). После перемагничивания они могут долго находиться в одном из двух состояний, соответствующих положительному + Bs или отрицательному - Bs значениям магнитной индукции насыщения. Первое состояние принято обозначать логической единицей (1), а второе - нулем (0). Магнитный элемент имеет две, три обмотки и более.
На рис. 3.4 схематически изображен элемент с тремя обмотками: обмоткой записи ωss, обмоткой считывания ωсч и выходной обмоткой ωвых . Он может работать в режиме управляемого реактора или в трансформаторном режиме. Передача сигнала в выходную обмотку происходит следующим образом. Информация в виде импульса тока определенной полярности поступает в обмотку wзп.
При этом магнитное состояние сердечника изменяется только в том случае, если созданная током магнитная индукция противоположна по знаку остаточной магнитной индукции. Если сердечник находится, например, в состоянии 0, то переход его в состояние 1 происходит при подаче в обмотку положительногоимпульса тока. Это состояние магнитный элемент сохраняет и после исчезновения импульса тока. Для перевода его в состояние 0 необходимо в обмотку wзп подать отрицательный импульс тока.
Таким образом, магнитный элемент через обмотку Wan запоминает полярность импульса, который его перемагничивает до положительной индукции. Сигнал в выходной обмотке ω вых, соответствующий 1, появляется при подаче в обмотку считывания ωcч импульса тока, создающего отрицательную индукцию - В, в сердечнике. Если до этого сердечник находился в состоянии 1 (намагничен до + Bs), то происходит его перемагничивание до - Bs, и в обмотке ωвых появляется относительно большая ЭДС (сигнал). Если же сердечник находился в состоянии 0 (намагничен до - Bs), то перемагничивания не происходит и ЭДС незначительна (помеха).
|
|