Элементы релейного действия на оптронах

Оптронные схемы, по сравнению с электронными и электрическими схемами, обладает рядом преимуществ:

1) Оптическая связь позволяет получить почти идеальную электрическую изоляцию элементов схем. Сопротивления изоляции между входом и выходом оптрона может достигать Om, приходная емкость -Пф. Это позволяет реализовать высококачественную гальваническую развязку цепей управления и нагрузки, что необходимо в безопасных схемах управления. В этом смысле оптрон можно рассматривать как аналог контакта электромагнитного реле.

2) Оптическая связь обеспечивает однонаправленную передачу сигнала от источника к приемнику. Паразитная обратная связь с выхода на вход отсутствует, поэтому возможны независимые расчет и анализ каскадов оптронных схем.

3) С помощью оптронов легко связываются цепи с различными частотами, цепи VAR и const, тока маломощные цепи с силовыми.

4) Оптронные схемы обладают хорошей защищенностью от помех, т.к. оптические каналы не подвержены электромагнитным помехам. Например, ИМС К249ЛП1 состоит из диодного оптрона ДО и интегрального усилителя (транзисторы VT1-VT3).

Оптрон образует входной каскад схемы. При протекании входного тока и возникновении излучения открывается фотодиод. Фототок является одновременно отпирающим, базовым током транзистора VT1. В результате отпирается транзистор VT3 и подключается входная цепь ИНС.

На входе схемы оптронного реле образуются импульсы различной полярности в зависимости от того, на какой из двух входов поступает сигнал, открывающий транзистор VT1 или VT2.

Элементы линейного действия на ферритах.

Для создания динамических приборов релейного действия используются специальные сплавы с петлей гистерезиса близкой к релейной.

Нс - коэрцитивная сила

Ву – остаточная намагниченность.

Характерной особенностью феррита является возможность получения сигнала на выходе только в переходном режиме и поэтому они имеют всегда дополнительный вход управления, обуславливающий появление сигнала на выходе.

Феррит изготавливается, как правило, в виде кольца с управляющей, входной и выходной обмотками.

Управляющая и входная обмотки наматываются так, чтобы создаваемые ими потоки были направлены встречно.

Если принять, что в нормальном состоянии остаточное намагничивание кольца равно +Ву, то намагничивающая сила управляющей обмотки д.т. положительной.

Если при этом на управляющую обмотку подать импульс, то изменение индукции кольца будет незначительным от +Ву до +Вmax, и импульс ЭДС (Евых) на выходной обмотке будет мал (1).

Если же подать предварительно отрицательный импульс на входную обмотку, то состояние кольца изменится с +Ву на –Вmax и затем после прекращения импульса на –Ву (2). РИСУНОК 1

РИСУНОК 1

 

В выходной обмотке наводится значительный импульс отрицательной ЭДС, соответствующий изменению от +Ву до -Вmax.

Для того чтобы этот импульс не мог служить источником ложного сигнала, в цепь выходной обмотки включается диод.

Если на управляющую обмотку опять подать импульс, то изменение индукции в кольце будет от -Ву до +Вmax (3).

В результате этого в выходной обмотке наводится большой импульс ЭДС, направление которой соответствует направлению включения диода.

Таким образом получается релейная зависимость.

Для компенсации паразитных выбросов ЭДС применяется установка дополнительных компенсирующих колец, создающих противо ЭДС паразитным импульсам.

 

Усилители (не электронные).

Усилитель представляет собой устройство, увеличивающее масштаб входного сигнала за счет энергии постороннего источника, при этом размерность входной и выходной величин одинаковы.

По принципу действия и конструктивному оформлению усилители делятся на электронные, магнитные, электромагнитные, диэлектрические, механические, пневмеханические и гидравлические.

Наибольшее распространение получили электронные (полупроводниковые), но также широко применяются электромагнитные и магнитные усилители.

Различают усилители мощности, напряжения или тока.

Свойства усилителей оцениваются номиналами общих характеристик элементов также к.п.д. и инертностью.

Электрические их типы дополнительно характеризуются, диапазоном усиливаемых частот, искажением формы входного сигнала по амплитуде, фазе, частоте; номинальной мощности и др.

Основной характеристикой усилителя является коэффициент усиления (передаточный коэффициент). Для усиления напряжения он вычисляется по формуле

Модуль «К» характеризует величину усиления аргумент

Характеризует сдвиг напряжения по фазе при усилении.

Если усилители имеют несколько каскадов, то тогда общий коэффициент усиления равен:

Электрический к.п.д. усилителя – это отношение переменной составляющей мощности P n к постоянной составляющей Р.

 

Т.е. к мощности, потребляемой от постороннего источника

Полный (промышленный) КПД усилителя есть отношение

,

где P-мощность, потребляемая усилителем от всех источников питания.

Инерционность усилителей- это время запаздывания в передаче управляющего сигнала при работе устройств в переходных режимах.

Диапазон усиливаемых частот- предел частот, в котором искажения усиливаемого сигнала не превышает допустимые значения. Этот показатель имеет первоочередное значение в устройствах связи при передачи звука и речи.

Искажение формы усиливаемого сигнала является основным показателем работы усилителей в автоматическом регулировании и в установках для передачи речи, а в других системах А и Т они менее существенны.

Искажения формы может быть 3-х видов: частотные, фазовые и нелинейные. Частотные искажения получаются из-за неодинакового усиления различных частот. Они характеризуются зависимостью к= (f)

Фазовые искажения определяются изменениями величины фазового сдвига усиливаемых напряжений или токов относительно входных величин, т.е. зависимостью угла сдвига фаз между векторами входного и выходного напряжений от частот (.

Нелинейные искажения изменяют форму кривой усиливаемых колебаний и вызываются нелинейными свойствами цепей.

 

МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Это электромагнитные устройства, использующие нелинейную зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов на переменном токе от величины подмагничивающего (постоянного) магнитного поля для усиления входного сигнала, который и создает это подмагничивающее поле.

Наиболее простой вариант исполнения магнитных усилителей- это дроссель с двумя обмотками: управляющей W_y- питается постоянным током входного сигнала и рабочей W_p- питается переменным током, последовательно с которой включается нагрузка Z_н. При холостом ходе (ключ К разомкнут) постоянный ток в управляющей цепи отсутствует, сердечник намагничивается только током и находится в ненасыщенном состоянии. Магнитная проницаемость сердечника и индуктивное сопротивление рабочей цепи велики, ток и мощность, потребляемая нагрузкой, малы.

 

При включении const тока (ключ R замкнут). МУ переходит в рабочий режим. Его сердечник насыщается магнитным потоком const тока, магнитная проницаемость для ≈ тока и индуктивное сопротивление рабочей цепи уменьшаются, а ток и мощность, потребляема нагрузкой, резко возрастают.

Если кривая намагничивания материала сердечника обладает большой крутизной линейной части, то можно значительно изменить напряжение и мощность в нагрузке за счет небольших изменений величины входного сигнала. I_y, т.е. усиливать этот сигнал. Этот принцип и используется в магнитных усилителях, где ∆P_n > ∆P_y

 

Коэффициент усиления

K=(P_вых-P₀)/P_у, где P_вых ­– вых. мощность;

P_у – мощ. на управление;

P₀ – мощность х. х.

Для усилителя с пермаллевым сердечником I_xx≈0 и P₀ ≈0, и

K= P_вых/ P_у=50+-250

Простейшая схема МУ обладает теми недостатками, что ≈ ток в нагрузке наряду с нечетными гармоническими содержит и четные, которые искажают форму кривой тока, и что в управляющей обмотке наводится переменная ЭДС, искажающая входной сигнал; для ее уменьшения ставит индуктивность L в цепи управления.

Четные гармоники тока в МУ меняют свою фазу при изменении направления подмагничивающего поля Ф₌. Поэтому обмотки постоянного и ≈ тока соединяются так, чтобы составляющие Ф₌ и Ф_≈ в одном из сердечников (или в одном из крайних стержней трехстержневого сердечника) совпадали по направлению, а в другом сердечнике (стержне) они имели противоположное направление.

Тогда между четными гармониками будет сдвиг фаз в 180˚

При параллельном соединении обмоток W_p в управляющей цепи ЭДС не наводится, т. к. в каждой обмотке W_y наводятся токи, одинаковые по величине и противоположные по знаку.

 

 

Ток в нагрузке равен сумме i` и i``, каждый из которых содержит четыре гармоники, по т.к. они сдвинуты на 180˚, то ток, протекающий по нагрузке, не имеет четырех гармоник. Недостаток данной схемы ­­- большая инертность МУ, т.к. параллельно соединенные обмотки W_p по отношению к постоянной составляющей магнитного потока представляют собой короткозамкнутую цепь. Эта схема применяется, если в нагрузке нужно исключить четные гармоники.

Если требуется быстрое реагирование на изменение входного сигнала, то обмотки W_p включаются последовательно. В этом случае ≈ ток нагрузке также не содржит четных кармоник.

 

 

Обмотки W_y включаются навстречу W_p, и нечетные гармоники индуктированной ЭДС компенсируются, а четные складываются.

Врезультате во входной цепи W_y появляется ЭДС удвоенной частоты, поэтму эти усилители используются как удвоители частоты.

В схеме МУ с обратной связью переменный ток обмотки W_p выпрямляется мостиком и подаётся обмотку обратной связи W_ос, что создаёт дополнительное подмагничивание IW_ос, которое увеличивает выходной ток и повышает коэф-т усиления до 3000-5000.

Серьезный недосаток МУ – их инерционность.

Конденсаторные усилители

В последнее время применяются конденсаторные усилители с прокладками из ферроэлектрического диэлектрика – титаната бария (BaTiO₃) или сегнетовой соли. Этиматериалыв отличие от обычных диэлектриков имеют нелинейную зависимость диэлектрической постоянной ξ и смещения D от электрического поля.

В принципе работы конденсаторного и магнитного усилителей многообщего, т.к. они испытывают падающую часть кривых μ=f(U) и ξ=φ(E).

Известно, что В= ξE, емкостное сопротивление X_c=1/(ωС), где С – емкость конденсатора.

Для плоского конденсатора С= ξS/d, где S-площадьпластин; d-расстояние между пластинами.

Если на конденсатор подать сигнал управления E_у, то на участке кривой АВ величина ξ падает, следовательно, емкость уменьшается, а емкостное сопротивление X_c=1/(ωС) возрастает.

Это свойство аналогично изменению магнитной проницаемости МУ и используется для получения эффекта усиления в цепи нагрузки.

Конденсаторный усилитель представляет собой мостовую схему в одну диагональ которой включается цепь уравновешивания, а в другую – источник ≈ тока с токовой стабилизацией и сопротивления нагрузки Z_н.

При отсутствии сигнала E_y (кл. К разомкн) сопротивление конденсаторов мало, через них проходит большой ток, а в цепи нагрузки течет малый ток I_н.хх.

При подаче сигнала E_y (кл. К замкнут) сопротивление конденсаторов возрастает ток уменьшатся; при условии I=const в цепи питания ток в цепи нагрузки I_н возрастает.

Достоинство конденсаторных усилителей – малаямощность управления (близка к нулю).

Недостаток – зависимость сопротивления от температур окружающей среды.

Системы телемеханики

Основные понятия

Телемеханика – это отрасль науки и техники, охватывающая теорию и технические средства контроля и управления объектами на расстоянии с применение специальных преобразований сигналов для эффективного использования каналов связи.

В А и Т применяются 3 способа управления объектами и контроля их состояния: местный, дистанционный телемеханический. Выбор способа управления и контроля зависит от расстояния между пунктом управления и объектами.

При местном способе на пункте управления (ПУ) находятся органы управления и источник питания для питания объектов. Органами управления на рисунке являются ключи S1-S3, которые включают и выключают электродвигатели D1-D3. Двигатели являются управляемыми объектами (УО).

 

Линейная батарея (ЛБ) для питания эл. двигателей расположена на ПУ

Достоинства местного способа управления – простота, отсутствие дополнительной аппаратуры. Этот способ отличает высокая надежность передачи информации и высокая помехоустойчивость. Так, повреждение одного из каналов связи (провода) не нарушает управления общими объектами. Ложное воздействие на объект (двигатель) в результате возникающие эл. магнит. помех и влияний в линии связи (ЛС) маловероятно, т.к. требует большей мощности помехи.

При местном способе осуществляется центральное питание объектов. Это значит, что вся энергия, необходимая для включения УО, передается по линии связи (проводам) из центра управления.

Поэтому местный способ имеет 2 недостатка:

1) невысокая дальность управления из-за потерь энергии в ЛС;

2) многопроводность.

Для того, чтобы включить N объектов, требуется N+1 провод (1 провод обратный). Поэтому местный способ используют при небольших расстояниях (десятки, сотни метров) и при небольшом числе объектов (до нескольких десятков)

В ж.д. АиТ местный способ применяется в системах ЭУ с центральным питанием. Органы управления (сигнальные кнопки, стрелочные рукоятки) расположены на специальном пульте-табло на посту ЭУ. Управляемые объекты (стрелки и светофоры) находятся в горловине станции и связаны с постами ЭУ кабелями.

Для увеличения дальности управления применяют дистанционный способ (см рис). В данном случае на КП в линию связи включены промежуточные линейные реле Л1-Д3, через контакты которых осуществляется управление двигателями. Центральный источник энергии (ЛБ) используется для питания промежуточных реле, а управляемые объекты (двигатели) имеют местное питание от местного источника энергии (МБ).

Такой способ позволяет увеличить дальность управления, поскольку по линейным проводам передаётся ток для включения реле (единицы миллиампер), который примерно в 1000 раз меньше тока, потребляемого двигателем (единицы ампер).

Дистанционный способ принципиально отличается от местного тем, что в нем по линии связи передается информация о том, какой объект надо включить, а не энергия, для включения этого объекта. Но, при этом, передаваемая информация не кодируется и системе требуется множество каналов для передачи информации, что ведет к большим издержкам на кабели. Поэтому дистанционный способ применяют на средних расстояниях (сотни метров, иногда километры) при небольшом числе объектов (до нескольких десятков).

Примером реализации данного способа управления может служить система ЭУ с местным питанием.

Для того, чтобы исключить многоканальность как недостаток системы управления следует закодировать передаваемую информацию.

Функция кодирования реализована в телемеханическом способе управления.

 

Данный способ управления применяется при больших расстояниях и большом числе объектов управления УО.

Главная задача телемеханического способа – сделать число каналов связи существенно меньше числа управляющих объектов. Чаще всего используется всего лишь один канал связи. Дальность управления определяется только чувствительностью и мощностью приемо-передающих устройств и,в принципе, неограниченна. Например, с помощью этого способа осуществляется передача информации при космических полетах.

На пункте управления (ПУ) оператор или автоматическая система воздействует на органы управления (ЩУ) телемеханической системы и формирует первичный сигнал (ПС). Это м. б. сигнал от кнопок, рукояток, датчиков и т.п. Первичный сигнал кодируется кодирующим устройством (КУ). Закодировать сигнал – это значит сделать его отличным от других. Передающее устройство (пер У) преобразует кодированный сигнал КС в линейный сигнал (ЛнС), удобный для передачи по линии связи (ЛС). Пер У также согласует кодирующую аппаратуру с ЛС и усиливает сигнал.

На контролируемом пункте (КП) линейный сигнал воспринимается и преобразуется в сигнал управления (СУ). Затем происходит его декодирование декодирующим устройством (ДУ). Декодировать сигнал – это значит определить, какое передаётся сообщение и какому объекту. Декодированный сигнал (ДС) поступает на выходные преобразователи (ВП), которые воздействуют на управляемые объекты.