Виды реле

ВВЕДЕНИЕ.

Современная радиоэлектроника во многом определяет технический прогресс фактически во всех областях науки, техники и  производства. Это обусловлено тем, что с помощью радиоэлектронных систем и устройств можно решать такие задачи, как передача информации, извлечение информации из электромагнитного  колебания, хранение и отображение  информации, передача команд на управляемые  объекты, контроль и обеспечение  работоспособности автоматизированных производственных и измерительных  систем.

В основе функционирования большинства  видов электрических аппаратов  лежат процессы коммутации (включения  и отключения) электрических цепей. [1]

В бытовой радиоэлектронной аппаратуре широко используются коммутационные изделия (коммутирующие устройства и электрические соединители). Коммутирующие устройства в виде выключателей и переключателей применяются для коммутации электрических цепей с целью выбора определенного режима их работы. Они состоят из системы контактов и приводного устройства, при помощи которого система контактов переходит из одного состояния в другое. Контакты изготовляются из бронзы, латуни или вольфрама и покрываются серебром, платиной или золотом. В зависимости от способа действия приводного устройства переключатели делятся на перекидные, нажимные, галетные, барабанные и продольно-ножевые. Основными параметрами переключателей являются переходное сопротивление, емкость между контактами, четкость фиксации, срок службы и др. [2]

Различают:  автоматические коммутационные устройства – реле (управляемых дистанционно) и неавтоматические (непосредственно управляемые  человеком)  - электрические кнопки, тумблеры, клавиатуры, водяные или воздушные клапаны и т.д.

Наиболее широко используются  коммутирующие устройства, предназначенные  для различных переключений в  слаботочных (реле) и в сильноточных (контакторы, пускатели) цепях.  

  1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Реле - устройство для автоматической коммутации электрических цепей по сигналу извне. Любое релейное устройство, как и реле для коммутации электрических цепей, состоит из релейного элемента и группы электрических контактов, которые замыкаются (или размыкаются) при изменении состояния релейного элемента. В настоящее время в электронике и электротехнике реле используют в основном для управления большими токами. В цепях с небольшими токами для управления чаще всего применяются транзисторы или тиристоры.

    1. Виды реле

В зависимости от физической природы  входного (управляющего) сигнала реле подразделяются на:

  • Электрические
  • Тепловые
  • Механические
  • Магнитные
  • Оптические

Электрические реле наиболее распространенный тип реле, широко применяемый в измерительной технике, телефонии и радиоэлектронной аппаратуре.

В свою очередь электрические реле в зависимости от наличия или отсутствия механического перемещения в самом устройстве делятся на реле электромеханические и статические электрические (коммутационные с бесконтактным выходом: полупроводниковые, электронные, оптоэлектронные и т. д.).

Электромеханические реле в зависимости от происходящих внутри реле явлений: могут быть электромагнитными, электротепловыми, электрогидродинамическими и т. п.

Среди многообразия релейных устройств, применяемых в технике, электромагнитные реле, как и ранее, занимают ведущее положение.

К электромагнитным реле относятся  традиционные реле с неподвижной обмоткой электромагнита и ферромагнитным якорем, а также  магнитоэлектрические, электродинамические и индукционные электромагнитные реле. Некоторые типы электромагнитных реле не имеют самостоятельного якоря, функции которого выполняют магнитоуправляемые контактные детали (герконовые реле) или подвижный сердечник обмотки (плунжерный тип реле).

Электромагнитные реле, как и другие электрические реле, по роду управляющего и коммутируемого тока могут быть постоянного и (или) переменного тока.

Обычные конструкции контактной системы  электромагнитных реле позволяют коммутировать  как постоянный, так и переменный ток с частотами до сотен килогерц. Специальные конструкции контактной системы (согласованное волновое сопротивление  ввода–вывода тока, уменьшенная паразитная емкость и т. п.) обеспечивают коммутацию высокочастотных сигналов до нескольких гигагерц.

По чувствительности входного сигнала  и величине коммутируемого тока электромагнитные реле подразделяют на сверхчувствительные (10-7 – 10-10 Вт) реле, регистрирующие сверхмалые токи, а также высоко – и нормально чувствительные слаботочные (10-6 – 25 А).

Более мощные реле, коммутирующие  токи более 50 А и напряжения более 1000 В, называются контакторами и высоковольтными реле.

Слаботочные реле стали в настоящее время самостоятельным классом электрических реле, включающим в себя наиболее распространенные электромагнитные реле с подвижным якорем, герконовые реле, электротепловые и слаботочные реле времени. [3,4]

Основные характеристики реле

 Зависимость между вторичными у и первичными х параметрами называется характеристикой управления реле (рисунок 1).

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – характеристика управления реле.

 

При увеличении параметра х от 0 до величины хотп значение параметра умин не изменяется, причем величина умин  большей частью равняется 0. В тот момент, когда параметр х достигает значения хсраб, параметр у изменяется скачком от значения умин  до значения умакс. (время изменения параметра у определяется временем переходного процесса.) при дальнейшем увеличении параметра х до величины храб значение параметра у остается неизменным. При уменьшении параметра х до величины, равной хотп, значение параметра у также не изменяется и только при величине х, равной хотп, параметр у скачком уменьшается до умин.

Значение  х= хсраб называется параметром срабатывания реле, а х= хотп параметром отпускания реле.

Отношение хотп к хсраб называется коэффициентом возврата реле Кв= хотп/хсраб, а отношение храб к хсраб коэффициентом запаса (по управляющему параметру х) К1= храб/ хсраб.

Входному  параметру хсраб соответствует мощность срабатывания или управляющая мощность Рср, которую необходимо подвести  к воспринимающему органу для приведения в действие (срабатывания) реле. Мощность, многократно коммутируемая исполнительным органом реле, называется управляемой мощностью Ру. Отношение управляемой мощности к мощности срабатывания называется коэффициентом управления реле Ку= Ру/ Рср.

 

  1. РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ.

 

Анализируя  задание, в разрабатываемом устройстве можно выделить основные части: входной регистр – защёлку (RG), дешифратор номера канала (DC 4х16), блок индикации (НL) и блок транзисторных ключей и реле (SA). Структурная схема устройства приведена на рисунке 2.

 


 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 – структурная схема релейного коммутатора.

 

 

 Функциональная  схема устройства представлена на рисунке 3 и в приложении А


 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 – функциональная схема релейного  коммутатора.

 Для питания устройства используется блок питания, структурная схема  которого приведена на рисунке 4. Она состоит из стандартных частей: сетевого развязывающего трансформатора, выпрямителя, фильтра и стабилизатора.


 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 – Структурная схема блока  питания.

 

 Функциональная схема блока питания  представлена на рисунке 5


 

 

 

 

 

Рисунок 5 – Функциональная схема блока  питания.

 

    1. Разработка полной принципиальной схемы

Исходя  из задания можно сделать вывод что схема коммутатора будет содержать и аналоговую и цифровую части. Так как входные импульсы имеют уровни ТТЛ,то целесообразно применять микросхемы, изготовленные по технологии ТТЛ. В устройстве будут применяться микросхемы стандартной серии – К155. [5]

Принципиальная  схема устройства приведена на чертеже  в приложении Б.

 

    1. Описание схемы

 

Входной сигнал (код канала) записывается во входной регистр – защелку, предназначенный  для хранения входного кода. Запись в регистр производится при подаче на вход «запись», единичного импульса. Далее записанный вход подается на вход дешифратора, где преобразуется  в код управления транзисторными ключами. Так как на выходе дешифратора  получаем инверсный сигнал, необходимо включить инверторы перед транзисторными ключами. Далее транзистор, на котором  оказывается единица, открывается  и срабатывает реле, одновременно с этим загорается соответствующий  светодиод. Реле своими контактами замыкает цепь и осуществляет коммутацию соответствующей  цепи. 

 

Ключи на биполярных транзисторах.

Транзисторные ключи (ТК) являются одним из наиболее распространенных элементов импульсных устройств. На их основе создаются триггеры, мультивибраторы, коммутаторы, блокинг-генераторы и т.д.

В зависимости  от целевого назначения ТК и особенностей его работы схема ТК может несколько  видоизменяться, но, не смотря на это, в основе всех модификаций лежит изображенная на рисунке 6а транзисторная ключевая схема.

В ТК транзисторы  работают в нескольких качественно  различных режимах, которые характеризуются  полярностями напряжения на переходах  транзистора.

 Принято различать следующие режимы работы ключа: режим отсечки, нормальный активный, инверсный активный, режим насыщения.


 

 

 

 

 

 

 а)                                                           б)                                                   в)

Рисунок 6 – а) схема простейшего ключа; б) входные характеристики;           в) выходные характеристики.

 

Транзисторный ключ по своей схеме подобен транзисторному усилителю с ОЭ. Однако по выполняемым  функциям и соответственно режимам  работы активного элемента он существенно  отличается от усилительного каскада.

ТК выполняет  функции быстродействующего ключа  и имеет два основных состояния: разомкнутое, которому соответствует  режим отсечки транзистора (транзистор заперт), и замкнутое, которое характеризуется  режимом насыщения транзистора  или режимом, близким к нему. В  течение процесса переключения транзистор работает в активном режиме. Процессы в ключевом каскаде носят нелинейный характер.

 

Статические характеристики ТК.

Поведение ТК в статическом режиме полностью  определяется статическими характеристиками транзистора. При их анализе обычно используют семейство выходных коллекторных характеристик Ik=f(Uкэ) и семейство входных характеристик IБ=f(UБЭ) (рисунки 6б, 6в).

В режиме отсечки оба перехода биполярного  транзистора смещены в обратном направлении. Различают режимы глубокой и неглубокой отсечек.  В режиме глубокой отсечки к p-n-переходам приложены напряжения, превышающие (3-5) мВ. Полярность их такова, что коллекторный и эмиттерный переходы смещены в обратном направлении. В этом режиме токи электродов транзистора имеют наименьшие значения, что характеризует разомкнутое состояние ТК. В режиме неглубокой отсечки модуль напряжения на одном из переходов меньше (3-5) мВ. Оба перехода смещены в обратном направлении.  Однако токи электродов несколько больше, чем в режиме глубокой отсечки, и их  значения существенно зависят от приложенного напряжения.

В режиме насыщения оба p-n-перехода транзистора смещены в прямом направлении. При этом падение напряжения Uкэ мало и при малом токе Iк составляет  десятки мВ. На эквивалентных схемах насыщенный транзистор представляют  в виде точки, общей для электрода эмиттера, коллектора и базы. Рассмотренный ключ при его коммутации обеспечивает получение двух уровней выходного напряжения и относится к числу цифровых.

При практичном выполнении аналоговых ключей на биполярных транзисторах необходимо: гальванически развязывать между собой источник управляющего сигнала и коммутируемые цепи; включать в цепь базы транзистора ограниченный резистор, значение которого выбирается исходя из требуемого тока базы и напряжения источника Еу; использовать компенсированные ключи с инверсно включенными транзисторами.

 

Регистры.

Регистры  – последовательные устройства приема, хранения, логических преобразований хранимого и вновь вводимого  числа, выдачи двоичных чисел.  Комбинационная часть регистров служит для ввода, вывода, преобразования кодов. По вводу  – выводу информации регистры делятся  на последовательные, параллельные, комбинированные.

В однофазных регистрах ввод возможен только в  прямом коде (D – триггеры).  В парафазных – ввод осуществляется как в прямом, так и в обратном кодах (RS – , JK – триггеры). Вывод в любом регистре возможен в парафазном виде. В параллельных регистрах можно производить поразрядные логические операции с хранимым и вводимым числом. В последовательных регистрах с помощью сдвигающих импульсов (синхроимпульсов) осуществляется сдвиг числа. Эту операцию применяют для преобразования последовательного кода в параллельный (или наоборот), в схемах умножения и деления чисел. В самом регистре сдвиг влево на один разряд соответствует умножению кода заносимого числа на основании системы счисления, вправо – делению.

 Регистры памяти служат для временного хранения небольшого объема информации (одного или нескольких байтов).  Для большого объема используют блоки  ОЗУ с адресной организацией. Для  регистров памяти применяют синхронизируемые уровнем или фронтом (статические  или динамические) триггеры. Сдвиговые  регистры реализуют на D – или RS – триггерах динамическим управлением. Статическое управление исключается, т.к. в пределах действия одного синхроимпульса информация может передаваться безостановочно во все разряды. Использование двухступенчатых регистров также устраняет сквозной перенос информации.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7 –  четырехразрядный параллельный регистр  на основе D – триггеров.

Дешифратор.

Дешифраторами называются комбинационные устройства, преобразующие n-разрядный двоичный код в логический сигнал, появляющийся на том выходе, десятичный номер которого соответствует двоичному коду. Число входов и выходов в так называемом полном дешифраторе связано соотношением:

m=2n,

где n – число входов, m – число выходов. Если в работе дешифратора используется неполное число выходов, то такой дешифратор называется неполным. Так, например, дешифратор, имеющий 4-входа 16-выходов, будет полным, а если выходов только 15, то он является неполным. [6]

 

  1. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.
    1. Расчет блока транзисторных ключей и блока индикации.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 8 – принципиальная схема блока  транзисторных ключей.

 

Блок управления реле и блок индикации собран на транзисторах VT1 – VT15. Транзисторы VT1 – VT15 работают в режиме ключей. Данная схема совмещает в себе блок индикации и блок транзисторных ключей и реле, данная схема имеет ряд преимуществ. Во – первых, совмещение этих блоков позволяет сократить количество транзисторов в два раза. Во – вторых, при выходе из строя одного из транзисторов схема индикации работать не будет тоже. То есть схема индикации, собранная на элементах VD2.1, R2.1 (см. расчетную схему) индуцирует непосредственно наличие напряжения на обмотке реле.

Так как  мы получаем инверсный сигнал с дешифратора, в данный блок так же включен инвертор DD3.1.

Расчет  схемы начинается с выбора реле. Выбираем РЭС – 15, технические данные которого приведены в таблице 1.

 

Таблица 1 – характеристики реле.

Наименование

Паспорт

Ток срабатывания

Ток отпускания

Сопротивление обмотки

Реле РЭС -15

РС4.591.002

30 мА

7 мА

160 Ом


 

 

Найдем  напряжение, необходимое для срабатывания реле:

Uср=1,2*Iср*Rр=1,2*30*10-3*160=5,76 В

Выбираем  светодиод: возьмём АЛ102АМ. Далее  найдем ток транзистора по первому  закону Кирхгофа:

IКЭmax=IVD2.1+1,2*Iср=1,2*30мА+5мА=41мА

Выбираем  транзистор КТ315А. Максимальный ток  коллектора  IКmax=100мА, коэффициент усиления h21=20; найдем ток базы транзистора:

Iб=2,5* IКЭmax/ h21=2,5*41мА/20=5,1мА

Учитывая, что напряжение высокого уровня для  микросхем ТТЛ, а именно серии  К155 U1=5В, а напряжение база – эмиттер для кремниевых транзисторов UБЭ≈0.7В, найдём номинал ограничительного резистора база:

RБ=R4.1= = =0,84 кОм

Найдём  значение резистора R1.1. для этого по второму закону Кирхгофа найдём падение напряжения на резисторе R1.1:

UR1.1=Uпит–UКЭнас– Uср ,

где Uпит – напряжение питания каскада, UКЭнас – падение напряжения на переходе коллектор – эмиттер, Uср – напряжение срабатывания реле.

UR1.1=12В–0,4В–5,76В=5,84В

Далее найдём номинал R1.1:

R1.1= = =0,162кОм

Найдём  падение напряжение на резисторе  R2.1:

UR2.1=Uср+ UR1.1– UVD2.1=5,76В+5,84В–2,8В=8,8В

Находим номинал резистора R2.1:

R2.1= = =1,76кОм

Диод  VD1.1 – выбираем любой маломощный диод, он нужен для подавления переходных процессов в катушке электромагнита реле ,в силу того, что катушка имеет индуктивность. Выбираем КД105Г.

Сопротивление R3.1 выберем равным 100кОм [7]. Оно работает от самопроизвольного открытия транзистора.

 

    1. Расчет блока транзисторных ключей и блока индикации.

Микросхема  К155ИД3

Дешифратор 4 в 16


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Микросхема  представляет собой дешифратор четырёхзначного  двоичного кода. При высоком уровне напряжения на входе разрешения, выходы устанавливаются в состояние  высокого уровня.

 

Таблица 2 – таблица истинности дешифратора.

Вход 

Выход

1

2

4

8

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

1

1

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

1

0

1

1

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

1

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

1

0

0

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

1

0

1

1

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

1

1

0

1

1

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

1

0

1

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0


 

Микросхема  К155ИР32

Четырёхразрядный  регистр


 

 

 

 

 

Таблица 3 – таблица истинности регистра в режимах записи и считывания.

Таблица истинности в режиме записи

 

SEWA

SEWB

EWR

НОМЕР СЛОВА

W1

W2

W3

W4

L

L

L

Q=D

Qn

Qn

Qn

L

H

L

Qn

Q=D

Qn

Qn

H

L

L

Qn

Qn

Q=D

Qn

H

H

L

Qn

Qn

Qn

Q=D

x

x

H

Qn

Qn

Qn

Qn


 

 

 

 

 

Таблица истинности в режиме считывания

 

SERA

SERB

ERD

НОМЕР СЛОВА

Q 1

Q 2

Q 3

Q 4

L

L

L

W0B1

W0B2

W0B3

W0B4

L

H

L

W1B1

W1B2

W1B3

W1B4

H

L

L

W2B1

W2B2

W2B3

W2B4

H

H

L

W3B1

W3B2

W3B3

W3B4

x

x

H

H

H

H

H


 

Микросхема  представляет собой регистровый  файл на четыре четырёхразрядных слова. Обеспечивается раздельная адресация  и декодирование четырёх слов, что позволяет записывать данные по одному адресу, а считывать их по другому. Микросхема имеет информационные входы D1-D4, а адрес записываемых слов определяется входами SEWA и SEWB при наличии низкого напряжения на входе EWR. Чтение информации, хранящейся в регистрах, происходит при наличии низкого уровня на входе ERD, адрес чтения задаётся входами SERA и SERB.

При высоком  уровне напряжения на входе EWR в регистровом файле сохраняется предыдущая информация, а при высоком уровне на ERD выходы переводятся в высокое состояние.

Выходы  микросхемы выполнены в виде открытого  коллектора, что позволяет использовать её при работе на магистраль, а также объединять их по схеме «монтажное ИЛИ». [5]

 

    1. Расчет блока питания.

Принципиальная  схема блока питания приведена  на рисунке 9.


 

 

 

 

 

 

Рисунок 9 – принципиальная схема блока  питания.

Входное сетевое напряжение подаётся на трансформатор  Т1, который служит для понижения напряжения и гальванической развязки схемы с сетью питания. Далее пониженное напряжение выпрямляется на диодном мосте VD1 и фильтруется конденсатором С1. Выпрямленное напряжение поступает на интегральный стабилизатор напряжения DA1 и стабилизируется на значении 12 вольт, конденсаторы С2 и С3 рекомендованы для устранения переходных процессов в стабилизаторе DA1. Для получения напряжения 5 вольт используется второй, включенный последовательно интегральный стабилизатор напряжения DA2. Конденсаторы С4 и С5 аналогичны С2 и С3. Расчет блока питания необходимо начать с расчета токов, потребляемых схемой.

Так ток, потребляемый 5 – ти вольтовой частью схемы будет равен сумме токов питания микросхем:

I5B=IDD1+ IDD2+ IDD3+ IDD4=30+10+33+33=106мА

Для 12 –  ти вольтовой части суммарный ток питания ток питания будет складываться из токов питания реле, для надёжности будем вести расчет с условием, что все реле работают одновременно:

I12B=158(Iреле+Iдиод)=15*(30мА+5мА)=525мА

Найдем  суммарный ток питания по закону Кирхгофа:

Iо= I5B+ I12B=106мА+525мА=631мА

Учтем 20 –ти процентный запас по току:

Iпит=1,2* Iо=1,2*631мА≈757мА

Найдем  мощность блока питания:

Pпит=Iпит*12В=757*10-3*12=9,084Вт

Подберем  необходимый трансформатор, выбираем трансформатор ТП114-7: напряжение обмотки – 16В, максимальный ток нагрузки – 1А. [8] Задавшись амплитудой переменной составляющей выходного напряжения выпрямителя, найдем коэффициент пульсаций:

Пусть Uамп=1В, тогда

Кпл= =

Найдем  емкость конденсатора фильтра (С1):

С1= мкФ

Выбираем  конденсатор К50 – 6 3000мкФх25В [9]

Виды реле 📙 Курсовая → 🆔 50317

Виды реле 📙 Курсовая → 🆔 50317

Виды реле