Импульс при подаче напряжения

Что такое импульсное реле и как оно работает?

Большинство современных приборов призвано упростить жизнь, поэтому многие из них так широко применяются человеком. Среди таких устройств часто встречается импульсное реле, которое позволяет автоматизировать многие процессы. Как оно устроено и чем примечательно мы рассмотрим в данной статье.

Устройство

На рынке существует большое разнообразие импульсных реле, за счет технических и конструктивных отличий вы можете встретить и разные устройства. Но в качестве примера мы рассмотрим наиболее простое и практичное для понимания принципа действия (см. рисунок 1).

Простейший пример импульсного реле состоит из таких элементов:

Катушка – изготавливается из медного проводника, намотанного на немагнитное основание, к примеру, каркас из текстолита, электрокартона и т.д. Предназначена для создания электромагнитного поля, воздействующего на магнитные элементы.
Сердечник – выполняется из ферромагнитных материалов, вступающих во взаимодействие с магнитным полем катушки. Предназначен для перемещения и совершения магнитного воздействия.
Контактная система реле – состоит из подвижных и неподвижных контактов, предназначенных для передачи сигнала.
Резистивные, емкостные и сигнальные элементы – применяются для задания логики работы устройства и обозначения состояния.
Таймер – задает временной интервал выдержки реле, но присутствует не во всех моделях, помогает существенно расширить функционал оборудования.

Принцип работы

Принцип действия импульсного реле заключается в перемещении контактной группы под воздействием электромагнитного поля катушки, втягивающей сердечник. При этом управление устройством осуществляется через кнопочные каналы. Одно нажатие кнопки подает кратковременный импульс на управляющий вывод, и контакты переходят в устойчивое состояние – подача или отключение напряжения, поэтому его еще называют бистабильным (два устойчивых состояния). В отличии от того же контактора, такое реле управляется одним импульсом, подаваемым за счет кнопки или выключателя с самовозвратом в исходное состояние, отсюда и происходит название импульсное реле.

Для примера рассмотрим работу конкретной модели устройства – РИО-1 (см. рисунок 2):

В данном устройстве присутствуют две группы контактов – силовые и управленческие. Силовые контакты представлены клеммами 11, 14 и N, управленческие зажимами Y, Y1, Y2, следует отметить, что в других модификациях импульсных реле маркировка и число контактов будут отличаться. Рассмотрим назначение каждого из вводов по порядку:

11 – предназначен для подачи на него питания от электрической сети;
14 – используется для выдачи фазы с импульсного реле на подключаемую нагрузку;
N – клемма подключения нулевого провода от общей шины;
Y – универсальный вход, при подаче управляющего импульса на который, реле переходит в противоположное состояние – из включенного в выключенное и обратно;
Y1 – предназначен исключительно для перевода импульсного устройства во включенное состояние, то есть, если контакты уже замкнуты, реле останется в таком же положении, обладает приоритетом перед вводом Y;
Y2 – переводит импульсный прибор в отключенное состояние, имеет приоритет перед двумя другими выводами.

Отличительной особенностью РИО-1 является разрыв силовой цепи только при переходе синусоиды переменного напряжения через ноль, что существенно повышает срок службы контактной группы. Но при этом время срабатывания отличается на 0,3 с, что необходимо учитывать для проектирования точных электронных схем. Функционирование импульсного реле через подачу сигналов на каждый ввод хорошо отображается на временной диаграмме устройства (смотрите рисунок 3):

Как видите на рисунке выше, способы включение и отключения импульсного устройства представлены четырьмя периодами взаимодействия:

При нажатии кнопки и подаче импульсного сигнала на вход Y с силового выхода будет сниматься рабочее напряжение вплоть до момента подачи второго сигнала на ввод Y. Это простейший вариант управления, к примеру, системой освещения.
В отключенном состоянии на ввод Y1 подается импульсное управление, в результате чего на выходе 14 возникает рабочий номинал 220В. При необходимости отключения того же освещения на месте достаточно подать сигнал на Y и питание прекратится.
Подачей импульсного сигнала на ввод Y1 происходит замыкание силовой цепи – с выхода 14 снимается потенциал. При подачи потенциала Y2 бистабильное реле отключится и силовая цепь разомкнется.
На этом периоде включение производится за счет подачи сигнала на ввод Y. А подачей импульсного сигнала на Y2 контакты коммутатора размыкаются.

Такая логика работы позволяет реализовывать ряд интересных решений, как в бытовых, так и производственных процессах. Что обеспечит приоритетность коммутации определенных объектов и электрооборудования, расположенного в них.

Разновидности

Широкий выбор импульсных реле обеспечивает достаточно большой ассортимент, отличающийся как ценовой политикой, так и предоставляемым функционалом. По принципу действия все модели можно разделить на электромеханические и электронные (рисунок 4).

Первый вариант предусматривает механическое перемещение элементов импульсного устройства за счет электромагнитного взаимодействия между катушкой и сердечником. Вторая разновидность управляется за счет полупроводниковых элементов и ключей без механически размыкаемых контактов и подвижных частей.

Помимо этого импульсные реле могут отличаться по:

Номинальной нагрузке – указывает допустимый ампераж, который можно подключать к силовым контактам;
Количеству полюсов – может иметь различное число входов и выходов для реализации определенных задач;
Способу установки – могут монтироваться на DIN рейку в соответствии с р.1 ГОСТ Р МЭК 60715-2003, кронштейн или другой вариант размещения;
Назначению – наиболее популярны импульсные реле для контроля освещения, цепей защиты и сигнализации.

Также бистабильные устройства отличаются габаритными размерами, материалами корпуса, наличием или отсутствием сигнальных ламп.

Схемы подключения

На практике импульсные реле нашли довольно широкий спектр применении, но в быту их чаще всего используют для включения светильников из разных точек комнаты. Поэтому в качестве примеров мы рассмотрим возможность подключения импульсных устройств для передачи питания лампочкам через выключатель.

Наиболее простым вариантом является ситуация, когда в комнате вы запитываете только одну люстру или группу софитов, которые должны включаться и выключаться из нескольких точек комнаты.

Как видите на рисунке 5, питание напрямую от автомата или распределительной коробки подается на ввод 11 РИО-1, вторая линия подключается к выключателям шлейфом, а общая точка выводится на ввод Y. С выхода 14 фаза подается на лампы освещения, а нулевой проводник с общей колодки разводится отдельной линией на лампы и соответствующий вывод импульсного реле. При такой схеме каждый из выключателей равноправно посылает сигнал, как на включение, так и на отключение осветительного оборудования. Помимо этого можно реализовать и более сложные схемы подключения с выставлением приоритета.

Как показано на схеме 6, здесь присутствует две группы осветительных приборов, можно взять аналогию с двумя комнатами, для каждой из которых установлено свое РИО-1. Подключение трех коммутаторов для каждой группы освещения осуществляется аналогичным образом, но к обеим группам добавлена функция глобального включения и отключения.

Здесь кнопочный выключатель, предназначенный для подачи питания на все приборы освещения, соединяется с выводом Y1 и первого, и второго импульсного реле. Поэтому при коммутации «Вкл», несмотря на состояние коммутаторов и подачи сигнала на Y свет включится в обеих комнатах. Выключатель обесточивания подключен к выводам Y2 обоих импульсных реле, который обладает преимуществом перед Y1. Поэтому при нажатии клавиши «Откл» произойдет выключение всего осветительного оборудования.

Технические характеристики

В соответствии с п.2.1. ГОСТ 16121-86 параметры импульсных реле должны соответствовать техническим условиями и стандартам, на основании которых они изготавливаются. Наиболее актуальными для работы бистабильных коммутаторов являются:

количество кнопочных коммутаторов, которые можно подключить совместно с определенным типом ламп;
пределы допустимого для коммутации напряжения;
максимальная токовая нагрузка, допустимая для коммутации;
допустимое число или мощность лампочек определенного типа;
габаритные размеры должны соответствовать паспортным данным в соответствии с п.2.2.1 ГОСТ 16121-86

время подачи сигнала и задержка срабатывания;
механическая и электрическая прочность элементов конструкции;
износоустойчивость по количеству циклов;
климатическое исполнение.

Некоторые из этих данных вы можете найти на корпусе импульсного реле (см. пример на рисунке 8), другие только в паспорте устройства.

Применение

Сфера применения охватывает все направления, где автоматизация требует удаленного контроля за одним объектом из нескольких точек. В быту и некоторых отраслях промышленности это освещение помещений, которое можно контролировать из нескольких точек. Особенно этот вопрос актуален для организации электроснабжения «умного дома«.

В системах автоматизации и централизации на сети железных дорог обеспечивает процессы телеуправления и диспетчерской сигнализации. Применяется для работы сигнализации и передачи рабочих сигналов.

Видео по теме

Использованная литература

Для подготовки статьи использовалась следующая техническая литература:

Игловский И. Г., Владимиров Г. В. «Справочник по слаботочным электрическим реле» 1984
Филипчеико И, П., Рыбин Г. Я. «Электромагнитные реле» 1968
Гуревич В.И. «Электрические реле. Устройство, принцип действия и применения. Настольная книга инженера» 2011
Сивухин Д. В. «Общий курс физики» 1975
Оболенцев Ю.Б., Гиндин Э.Л. «Электрическое освещение общепромышленных помещений» 1990

Одновибратор. Формирование импульсов с помощью простейших логических элементов

Одновибратор или ждущий или заторможенный мультивибратор генерирует импульс заданной амплитуды и длительности после прихода запускающего импульса. Одновибратор строят с использованием цепи положительной обратной связи и пороговых элементов. Очень часто в качестве времязадающих элементов в мультивибраторах применяют RC цепочки. Могут быть использованы также линии задержки, отрезки кабеля. Один из способов построения одновибраторов – использование логических элементов.

;

Условие нормальной работы:

t _зап < t _имп. . Если это условие не выполняется, то можно укоротить импульс с помощью дифференцирующей цепочки, включенной на входе запуска.

Часто требуется сформировать импульс по логическому перепаду на входе. Одна из возможных схем показана на рисунке. Длительность выходного импульса определяется на этой схеме длительностью схемы задержки ().

Вместо RC цепочки можно включить любой элемент задержки: два последовательно включенных инвертора, линию задержки, отрезок кабеля и т.д. Элемент 2И-НЕ с триггером Шмидта на входе обеспечивает устойчивую работу схемы.

Полупроводниковая промышленность выпускает специализированные микросхемы, с помощью которых при минимальном числе внешних элементов можно строить генераторы импульсов. Пример такой микросхемы в ТТЛ серии – 1533АГ3. В одном корпусе микросхемы имеется 2 независимых элемента. Длительность импульса с выхода каждого элемента равна tимп = 0.5 RC.

Таблица состояний 1533АГ3

D

Q

сброс

Автоколебательный мультивибратор вырабатывает непрерывную последовательность импульсов, следующих с некоторой частотой. Простейшую схему такого рода можно построить на одном элементе 2И-НЕ с триггером Шмидта на входе. Период следования импульсов на выходе определяется величиной логического перепада Vп, шириной гистерезиса на входе элемента и постоянной времени RC. Период импульсов для ТТЛ элементов можно рассчитать по формуле: . Стабильность частоты генератора зависит от стабильности времязадающих элементов R, C, а также от стабильности порогов переключения логических элементов и обычно не лучше нескольких процентов.

Для повышения стабильности частоты импульсов обычно используется кварцевый резонатор, включенный в цепь положительной обратной связи.

Величина нестабильности частоты без использования термостатирования схемы в этом случае получается порядка 10 –5 . В схеме использованы вентили 2И-НЕ серии 1533, включенные в качестве инверторов.

Мостовые схемы мультивибраторов позволяют уменьшить влияние погрешностей, вносимых источниками питания и приблизиться к стабильности собственно времязадающих элементов схемы. При использовании современных операционных усилителей или компараторов и прецизионных сопротивлений и емкости можно получить стабильность частоты мультивибратора 0.1%. Частоту выходного сигнала F можно рассчитать для схемы на рисунке:

Генераторы пилообразного напряжения.

Пилообразное, или линейно во времени изменяющееся напряжение широко используется в радиоэлектронике.

1. Преобразователи напряжение – время.

2. Преобразователи время – напряжение.

3. Преобразователи напряжение – скважность (для регуляторов с широтно-импульсной модуляцией).

Наиболее часто для формирования пилообразного напряжения используется зарядка конденсатора от генератора тока:

Если при t = 0 Vс = 0, то после включения генератора тока I напряжение на емкости С будет увеличиваться: , т.е. линейно нарастать во времени. Схема генератора тока обычно отличается от идеальной, кроме того, имеется конечное сопротивления нагрузки генератора. Например, если в качестве генератора тока используется транзистор, то выходное сопротивление коллектора при включении транзистора с общей базой не превышает сотен килоом. Конденсаторы также имеют утечку, которая вносит свою погрешность. На эквивалентной схеме таким образом реальный генератор тока имеет некоторое выходное сопротивление R. Напряжение на емкости Vc после включения генератора будет изменяться: . Здесь t = RC,

а V0 = I · R. Для упрощения оценок погрешностей пилообразного напряжения экспонента аппроксимирована в формуле параболой. Из анализа формулы можно найти максимальное отклонение параболы от линейного закона, т.е. максимальное отклонение параболы от прямой, проведенной через ее начальную и конечную точки равно: DV_max = .

Для оценки качества пилообразного напряжения вводят величину ее нелинейности. Для определения нелинейности пилообразного напряжения проводят прямую через начальную и конечную точку пилы и находят максимальное ее отклонение от линейного закона. Отношение этого максимального отклонения DV_max к амплитуде пилы V_max есть величина нелинейности. . Нелинейность может также быть выражена в процентах.

Для нашего случая с параболой нелинейность равна: . Допустимая нелинейность для разных случаев изменяется от до 10 – 4 .

Наиболее часто в генераторах пилообразного напряжения используется схема интегратора на операционном усилителе. В качестве ключей часто используют полевые транзисторы, или даже контакты реле при длительности пилы секунды или минуты.

Для схемы интегратора, принимая, что коэффициент усиления операционного усилителя бесконечно большой, а входной ток и выходное сопротивление малы, можно написать:, т.е. имеем при постоянном Vоп линейно нарастающее напряжение.

Оценим погрешности, которые возникают при конечных значениях коэффициента усиления и входного сопротивления ОУ. Входное сопротивление ОУ равно Rвх, коэффициент усиления К0, сопротивление ключа и утечка емкости учтена введением сопротивлением тока утечки ключа Rут. Рассчитаем постоянную времени схемы. Предположим, что в начальном состоянии конденсатор С заряжен, так что на выходе ОУ установлена напряжение Vвых, а напряжение Vоп = 0. Тогда входное напряжение Vвх = – Vвых /К0. В этом случае через сопротивления R и Rвх потекут соответственно токи:

IR = Vвх/R и IRвх = Vвх/Rвх. Через ключ течет ток утечки ключа Iут = Vвых /Rут. Сумма этих токов равна току разряда емкости Iс, т.е. можно записать:

Ic = . Здесь Rэкв — эквивалентное сопротивление утечки емкости С, учитывающее все токи утечки, поэтому постоянная времени разряда С будет равна Rэкв · С.

Заменяя Vвх на – Vвых /К0, и производя сокращения, можно получить:.

Произведем расчет нелинейность генератора пилообразного напряжения, учитывая только входное сопротивление ОУ и сопротивления R. В качестве ОУ используем микросхему К140 УД6. Входное сопротивление ОУ Rвх = 100кОм, коэффициент усиления К0 = 10 5 , R = 1кОм, С = 1 мкф. Максимальное напряжение пилообразного напряжения – 10В, опорное напряжение 1В. Можно рассчитать время, в течение которого напряжение на емкости от нулевого начального состояния достигнет 10В.

Далее рассчитаем эквивалентное сопротивление утечки емкости С, обусловленную только входным сопротивлением ОУ и сопротивлением R.

, отсюда Ом.

Таким образом, постоянная времени разряда интегратора t = 10 8 · 10 -6 =100 сек и нелинейность формируемого пилообразного напряжения

, что в большинстве случаев является достаточной величиной.

Использование ОУ позволяет получать хорошие результаты, если время формируемой пилы много меньше величины 1/Fгр, где Fгр – частота, на которой коэффициент усиления ОУ равен единице. Для обычных ОУ это единицы микросекунд. При уменьшении времени формируемой пилы, становятся заметны искажения, связанные с конечным временем реакции ОУ. В начале пилы при этом идут переходные процессы из-за задержки в усилителе. Кроме того, максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ ограничена.

Для формирования пилообразного напряжения в диапазоне десятков и единиц наносекунд, где требования к нелинейности обычно менее жесткие, используется зарядка емкости от источника тока.

При подаче положительного импульса на вход схемы, транзистор Т3 открывается и напряжение на емкости С начинает линейно нарастать. Ток заряда определяется напряжением стабилитрона. В конце пилообразного напряжения емкость С разряжается посредством ключа К. Такие схемы позволяют формировать времена в наносекундном диапазоне.

Регуляторы с широтно-импульсной модуляцией.

В широтно – импульсных регуляторах (ШИМ-регуляторы) источник питания подключается к нагрузке периодически с помощью ключа. Для уменьшения пульсаций тока через нагрузку имеется накопительный элемент (индуктивность или емкость), который накапливает энергию от источника питания, когда ключ замкнут и отдает энергию в нагрузку, когда ключ разомкнут. На схеме накопительным элементом является индуктивность L. Величина индуктивности выбрана так, что постоянная времени L/R много больше периода замыкания ключа К. Поэтому пульсации тока через нагрузку R невелики. Диод Д поддерживает ток через индуктивность при разомкнутом ключе К. Для дальнейшего уменьшения пульсаций в нагрузке, параллельно сопротивлению R можно подключить дополнительную емкость.

Можно найти среднее напряжение на нагрузке V_R, если ключ каждый раз замыкается на время t, а период замыкания ключа – Т:

V_R=V_ПИТ ·. Для линейного управления величиной t удобно использовать пилообразное напряжение. На схеме при изменении управляющего напряжения от 0 до максимального напряжения пилы, величина t/T линейно изменяется от 0 до1.