Лабораторна робота №1
Дослідження напівпровідникових реле часу
Стислі теоретичні відомості
Електричне реле з нормованим часом вмикання або вимикання називають реле часу. Подібне реле забезпечує витримку часу від мілісекунд до декількох годин. Для отримання невеликих витримок часу (декілька секунд) використовують реле в поєднанні із схемами, сповільнюючими зміну струму в котушці реле. Такі реле часу не відзначаються стабільністю, але вони знаходять достатньо широке застосування завдяки своїй простоті і невисокій вартості.
В схемі на рис. 1.1, а, для сповільнення спрацювання паралельно котушці реле КТ ввімкнено конденсатор С . При замиканні керуючого контакту К конденсатор шунтує обмотку, і струм в обмотці починає протікати тільки після того, як конденсатор зарядиться (другий закон комутації) і його опір зросте.
Рис. 1.1 – Схеми витримок часу |
Додатковий резистор R обмежує початкове значення струму в колі.
Всі схеми сповільнення відпускання реле основані на використанні енергії, накопиченої в магнітному полі котушки для підтримування струму після розриву кола живлення реле. В схемах на рис. 1.1, б, в після розмикання контакту К , магнітний потік, що зменшується, наводить ЕРС в обмотці реле, під дією якої в колі проходить струм спрацювання іk , що стримує якір в притягнутому стані. Схеми характеризуються додатковими втратами потужності, що виникають в резисторі. Цього не відбувається в схемі, показаній на рис. 1.1, г , в якій послідовно з резистором ввімкнено діод D . Тому в стаціонарному режимі струм через резистор не проходить. Для отримання значної витримки часу реле повинно бути достатньо масивним, щоб забезпечити необхідний запас магнітної енергії.
Аналогічний принцип використовують в реле часу постійного струму з електромагнітним сповільненням і демпфуючою короткозамкненою обмоткою (рис. 1.2). При вмиканні обмотки реле 1 до мережі магнітний потік в осерді 2 зменшується. Це приводить до виникнення ЕРС в масивній шайбі 3 , що знаходиться на осерді. Опір шайби дуже малий, тому в ній виникають великі вихрові струми, що підмагнічують осердя. В результаті магнітний потік в осерді реле зменшується значно повільніше, якір 5 залишається в притягненому стані і контакти реле 4 розмикаються з витримкою часу до 10 с .
Рис. 1.2 |
Існують конструкції реле часу, в яких роль короткозамкненої обмотки виконує мідна гільза, надіта на осердя. Витримку часу регулюють зміною зазору між якорем і осердям або натягом пружини 6 . Це змінює значення магнітного потоку відпускання Фвід (рис. 1.2., б), при якому починається рух якоря. При сильному послабленні пружини відпускання якоря відбувається на пологій ділянці кривої Ф (t), величина витримки часу стане невизначеною, що обмежує діапазон регулювання реле. Витримку часу можна також регулювати на основі використання котушки, що вмикається зустрічно і створює розмагнічуючий магнітний потік. В результаті магнітний потік в осерді зменшується швидше (штрихова крива на рис. 1.2, б) і витримка часу змінюється від t2 до t1 . Для одержання великої витримки збільшують об’єм магнітної системи реле і застосовують матеріали з високою магнітною проникністю. Магнітопровід реле працює в режимі насичення, тому зміна напруги живлення практично не впливає на початковий потік, і, відповідно, на стабільність витримки часу. Однак витримка часу сильно залежить від зміни температури шайби 3 , що впливає на електричний опір і величину підмагнічуючого струму. Це збільшує похибку реле до 5–19%.
В даний час в промисловості використовують конденсаторні реле часу , що базуються на інерційних властивостях RC – ланки. Принципова схема реле з зарядом конденсатора показана на рис. 1.3, а. При замиканні керуючого контакту К1 в колі проходить струм і напруга на затискачах конденсатора зростає за законом.
Uc = Uж (1 – exp [-t/]),
де Uж – напруга живлення; =RC – постійна часу кола.
Ця напруга подається на високоомний вхід напівпровідникового підсилювача, що містить пороговий елемент, який спрацює при заданій напрузі Uспр.1. Через час
t=ln [Uж /(Uж -Uспр1 )]
напруга на конденсаторі досягає величини Uспр.1 , вихідне електромагнітне реле К2 виконує необхідні перемикання в зовнішньому колі. В схемі (рис. 1.3, б) конденсатор попередньо заряджається до Uж ; при перемиканні керуючого контакту К1 він починає розряджатись на резистор R .
а) | б) |
Рис. 1.3 – Конденсаторні реле часу а) – з зарядом конденсатора; б) – з розрядом конденсатора |
Напруга на конденсаторі зменшується:
Uc =Uж ∙exp (-t/)
і через час
t=·(Uж /Uспр2)
понижується до величини Uспр.2 , при якій напівпровідникова схема переходить з одного стану в інший.
Величину витримки часу регулюють зміною постійної часу . Ступінчате регулювання здійснюють зміною ємності конденсатора С , а більш плавне – зміною опору резистора R . Стабільність витримки часу в значній мірі залежить від коливання напруги в мережі. Тому в подібних схемах необхідні стабілізовані джерела живлення. Конденсаторні реле часу достатньо прості, надійні і дозволяють отримувати максимальну витримку часу 50 с з похибкою 5–15%.
Подальше збільшення витримки часу досягається живленням конденсатора імпульсною напругою з великою щільністю імпульсів (рис. 1.4.).
Рис. 1.4. Конденсаторні реле часу з імпульсним живленням |
При цьому короткочасні періоди t 1 зміни напруги конденсатора чергуються тривалими періодами часу T-t , коли ця напруга залишається незмінною. В результаті витримка часу збільшується в декілька раз. Подібний принцип використовується в багатьох сучасних реле часу, при цьому виникає можливість отримання витримки часу 10–20 хв . В схемі реле (рис. 1.4, б) конденсатор С1 заряджається імпульсами, які генеруються блокінг – генератором Г1 з частотою 50 – 100 Гц. Тривалість імпульсів 3–5 мкс. Конденсатор ввімкнений за мостовою схемою, в діагоналі якої ввімкнено пороговий елемент – діод VD , який відкривається при перевищенні напруги спрацювання, що знімається з подільника R1-R2 .
Після заряду конденсатора діод VD відкривається, і через розподільний конденсатор С2 видає керуючий імпульс на вихідний тригер Т , що комутує коло електромагнітного реле К . Приведена похибка подібних реле може бути знижена до 1,5%.
Великі витримки при високій точності відрахунку можуть забезпечити лічильно-імпульсні реле. Прикладом такого реле часу може служити трьох – ланкове реле типу ВЛ – 34 , принципова схема якого приведена на рис. 1.5. При подачі напруги живлення на схему реле починає працювати стабілізований імпульсний генератор 1 .
Рис. 1.5. – Лічильно-імпульсне трьох ланкове реле типу ВЛ-34
Опорні імпульси сталої тривалості, що виробляє генератор, поступають на лічильник імпульсів 2 , з яким зв’язаний дешифратор 3 , що встановлює незалежні витримки часу в трьох вихідних колах.
Коли кількість імпульсів, що поступають на лічильник, досягає необхідноі величини, сигнал з виходу дешифратора через потужний підсилювач 4 поступає на виконавче реле 5 . При повторному вмиканні реле лічильник обнульовується. Час підготовки реле 0,3 с.
Реле виконано на базі інтегральних мікросхем серіі К176, має невеликі габаритні розміри і масу. Основна похибка витримки часу реле може бути визначена за формулою:
d =(2,2+0,1(Tmax /T)) %,
де Т, Тмах – витримка часу реле і її максимальне значення.
Приведена похибка (при Т=Тмах ) відповідає класу точності 2.5. Реле часу ВЛ-34 забезпечує витримку часу до 100 хв . Існують аналогічні конструкції лічильно-імпульсних реле, розрахованих на витримку до 10 год .
3. Опис дослідної установки
Лабораторна робота виконується з використанням учбової програми на базі ПЕОМ.
4. Завдання
4.1. Виконується при самостійній підготовці перед виконанням лабораторної роботи.
4.1.1. Для заданих в табл. 1 параметрів дослідної схеми рис. 1.6 визначити для вказаного викладачем варіанту часову затримку.
Рис. 1.6 |
Таблиця 1
№ варіанту | Значення параметру | tзатр.розр ms |
tзатр.вим ms |
|||
V0 , B | R, Om | C, Мкф | Vk , B | |||
1 | 12 | 100 | 200 | 6 | ||
2 | 15 | 200 | 300 | 6 | ||
3 | 12 | 150 | 300 | 6 | ||
4 | 15 | 200 | 250 | 6 | ||
5 | 10 | 250 | 300 | 6 |
де U0 – напруга джерела живлення, В;
Uк – напруга спрацювання реле, В.
tзатр.розр. – час затримки за результатами розрахунку, мс;
tзатр.вим. – час затримки за результатами вимірювань, мс.
4.1.2. Для заданих в табл. 2 параметрів дослідної схеми рис. 1.7 визначити для вказаного викладачем варіанту часову затримку. Індуктивність обмотки котушки реле часу К дорівнює L=1250 мГн.
Рис. 1.7 |
Таблиця2
№ варіанту | Значення параметру | tзатр.вим ms |
t зат.вим ms | ||
UO , B | R, Om | Uk , B | |||
1 | 12 | 100 | 6 | ||
2 | 15 | 200 | 6 | ||
3 | 12 | 250 | 6 | ||
4 | 10 | 300 | 6 | ||
5 | 15 | 250 | 6 |
4.1.3. Для параметрів дослідної схеми рис. 1.8, що задаються табл. 3, визначити для вказаного викладачем варіанту часову затримку спрацювання реле, якщо періодичність імпульсів складає 10 мс.
Рис. 1.8 |
Табл.3
№ варіанту | Значення параметру | tзатр.розр ms | tзатр.вим ms | ||||
UO , B | R, Om | C, Мкф | R2 , KOm | tімп , ms | |||
1 | 12 | 100 | 200 | 5 | 2 | ||
2 | 15 | 200 | 200 | 10 | 4 | ||
3 | 10 | 300 | 400 | 20 | 10 | ||
4 | 12 | 200 | 200 | 20 | 10 | ||
5 | 15 | 100 | 200 | 15 | 5 |
4.2 Виконується в лабораторії
4.2.1. Ввімкнути в мережу ПЕОМ, натиснути Ctrl-Alt-Delete, в стрічках користувача і пароль набрати Zagal.
4.2.2. Зайти у Wіndows Commander на диск С: у папку Programs /Ea/ Lw1.
5. Опрацювання дослідних даних
5.1. Визначити розрахункові дані таблиць табл. 1… табл. 3. Результати вимірювань tзатр. вим. занести в таблиці.
5.2. Зробити висновок по роботі.
Література
1. Михайлов О.П., Стоколов В.Е. Электрические аппараты и средства автоматизации. – М.: Машиностроение, 1982 г.
2. Таев И.С. Электрические аппараты автоматики и управления. – М.:» Высшая школа», 1975 г.
3. Чунихин А.А. Электрические аппараты (общий курс). – М.:» Энергия», 1975 г.