CC BY
292Твердотельные реле
для коммутации цепей постоянного тока
Сергей ВОЛОШИН
voloshin@orel.ru
В №№ 3 и 4 нашего журнала за 2004 год в статье «Отечественным твердотельным реле — быть!» рассматривались вопросы конструкции, технологии, условий применения твердотельных реле переменного тока с оптронной развязкой по цепи управления, выполненных на тиристорных структурах во встречно-параллельном включении. За прошедшее с момента опубликования этой статьи время ряд реле переменного тока, выпускаемых компанией «Электрум АВ», расширился приборами более низкого диапазона мощности.
Новые реле рассчитаны на токи от 5 до 20 А, выпускаются в корпусах для монтажа на печатную плату и отличаются тем, что позволяют коммутировать большие токи без дополнительного теплоотвода. Кроме того, благодаря выходу на встречнов-ключенных тиристорах они имеют высокие значения допустимого пикового напряжения в коммутируемых цепях (до 1200 В) и большую устойчивость к изменению напряжения в закрытом состоянии (до 1000 В/мкс) — в отличие от традиционных реле этого класса, рассчитанных на ток до ЗА и выполненных на си-мисторах (триаках) с напряжением не более 800 В и устойчивостью к ^/& не более 100 В/мкс. Новые реле имеют большую устойчивость к импульсным токам нагрузки (до 10 раз). Также начат выпуск реле в исполнении для монтажа на ЭШ-рейку (рис. 1).
Другой новинкой в классе реле переменного тока являются реле, ориентированные на применение в регуляторах мощности с контролем числа целых волн синусоиды тока в нагрузке (рис. 2).
Эти приборы включают нагрузку в нуле напряжения и пропускают целое число волн N = І 1упр/20 мс I + 1. Минимальная длительность сигнала управления должна быть не менее 200 мкс. Такие приборы выпускаются на токи от 5 до 250 А (однофазные) и от 5 до 120 А (трехфазные). Отдельная модификация таких приборов работает от управляющего сигнала, задаваемого стандартными уровнями 0-20 мА / 4-20 мА / 0-5 мА / 0-10 мА. На рис. 3 показана токовая диаграмма такого реле в режиме регулирования мощности при управлении от стандартного сигнала 0-10 В или токового сигнала 4-20 мА.
Такие приборы обладают всеми преимуществами реле переменного тока, выпускаемых «Электрум АВ» — высокими значения-
Рис. 3. Токовая диаграмма регулятора мощности при управлении от стандартного сигнала 0—10 В или токового сигнала 4—20 мА
ми ударных токов, скоростей нарастания напряжения и тока, пиковых значений напряжения. Эти свойства делают такие реле незаменимыми при построении систем с высокоиндуктивными нагрузками (соленоиды, клапаны, электродвигатели), особенно при работе в сетях с напряжением 380 В.
Однако эта статья будет посвящена другому классу твердотельных реле, выпускаемых «Электрум АВ», а именно реле, предназначенным для коммутации нагрузок в цепях, питаемых постоянным током. Такие устройства, как и реле переменного тока, имеют входные цепи, гальванически изолированные от силовой цепи и позволяющие включать и выключать силовой элемент, выполненный либо на полевом транзисторе с напряжением из ряда 60, 100, 200, 400 В, либо ЮБТ с напряжением 600 или 1200 В. Гальваническая развязка в таких реле может быть выполнена как на оптронной паре, так и с использованием трансформаторной развязки. Входная цепь реле рассчитана на управление реле от источников постоянного напряжения с широким диапазоном входного напряжения (от единиц до сотен вольт). В реле предусмотрена светодиодная индикация включенного состояния и защита входной цепи от переполюсовки.
Рассмотрим работу оптронной гальванической развязки. К входу реле через токовый стабилизатор с током ~15 мА, обеспечивающий устойчивость к помехам и возможность работы в широком температурном диапазоне от -60 до +80 °С, подключен инфракрасный светодиод. Свет от него попадает на матрицу инфракрасных фотодиодов, фото-ЭДС которых создает разность потенциалов с уровнем около 10 В, достаточным, чтобы отпереть полевой транзистор или КВТ. Однако, вследствие малого выходного тока (5-10 мкА) такой оптопары, называемой обычно фотоволь-танческим оптроном, накопление заряда на затворе транзистора происходит довольно медленно (до 20 мс) и зависит от типа управляемого транзистора — чем более мощный транзистор, чем выше его входная емкость и заряд затвора, тем дольше продолжается процесс включения реле. Это свойство реле с оптронной развязкой накладывает некоторые ограничения на допустимый характер нагрузки. Это связано с тем, что в процессе отпирания полевого транзистора или ЮБТ входная цепь которого идентична полевому транзистору, сопротивление канала проводимости изменяется на несколько порядков и в начальный момент включения имеет величину в сотни килоом, поэтому для нагрузок с большими пусковыми токами мощность, выделяемая на силовом ключе реле в процессе его включения, может существенно превысить предельно допустимую для прибора, что приведет к его разрушению в худшем случае, либо к существенным потерям энергии и перегреву прибора, что также снижает его надежность и долговечность.
Такая проблема особенно актуальна при работе с высокоиндуктивными нагрузками соленоидного типа (двигатели постоянного тока, преобразовательная техника, мощные источники питания). Для решения проблемы специалистами «Электрум АВ» предложен новый тип реле постоянного тока, обладающий чрезвычайно высокой устойчивостью к большим пусковым токам. Это достигается за счет отказа от традиционной оптрон-ной развязки и использования встроенного БСЮС-преобразователя и развязки трансформаторного типа. При этом обеспечиваются времена включения реле менее 1 мкс, конструкция реле полностью совместима с традиционными 4-контактными реле (два входных, два выходных контакта без использования внешнего питания), а цена прибора за счет эффективной схемотехники не отличается от цены традиционного прибора с оптронной развязкой. Такое реле может быть применено в условиях, когда пусковые токи в 10 раз превышают номинальные токи. Затвор полевого транзистора или ЮБТ является в общем случае конденсатором, поэтому для выключения реле как с оптронной, так и с трансформаторной развязкой используется специальная схема, обеспечивающая быстрый разряд емкости затвора при снятии сигнала управления.
Еще одной разновидностью реле постоянного тока являются так называемые биполярные или двуполярные реле. В этих реле выходной каскад состоит из двух встречно-последовательно соединенных полевых транзисторов или ЮБТ. Эти приборы, как и реле переменного тока, позволяют коммутировать нагрузки в цепях переменного тока. Применение ЮБТ с напряжением 1200 В позволяет использовать их в цепях до 380 В. При этом они лишены такого недостатка реле переменного тока на тиристорах как наличие минимального тока коммутации и позволяют управлять нагрузками при токах в единицы микроампер. Однако следует учитывать, что остаточное напряжение биполяр-
ных реле складывается из падения напряжения на канале одного транзистора и падения напряжения на прямосмещенном диоде, за-шунтированном сопротивлением канала второго транзистора. Сопротивление канала транзистора для реле на полевых транзисторах лежит в диапазоне от 10 мОм для 60-воль-товых транзисторов до 300-500 мОм для 400-600-вольтовых транзисторов. Падение напряжения на диоде, включенном встречно-параллельно каналу транзистора, обычно составляет около 1-1,2 В. Такой диод для реле на полевых транзисторах является неотъемлемой частью реле, так как его структура определяется конструкцией самого транзистора, а в реле на ЮБТ такой диод устанавливают в виде дополнительного элемента. Он имеет напряжение, равное напряжению транзистора, и малые времена восстановления (менее 100 нс). В некоторых случаях такой диод может играть негативную роль, поэтому предусмотрена модификация реле на ЮБТ без встречно-параллельного диода. Следует отметить, что частота коммутации реле постоянного тока с оптронной развязкой не превышает сотен герц, в то время как частота коммутации реле с трансформаторной развязкой доходит до 100 кГц.
Существует еще одна разновидность реле постоянного тока, выпускаемых «Электрум АВ». Совершенствование технологии изготовления мощных полупроводниковых приборов позволило создать новый тип электронного коммутатора для цепей постоянного тока. Этот прибор, подобно обычному реле постоянного тока, содержит ключ на полевом транзисторе или ЮБТ и схемы управления транзистором, подобные описанным выше. Однако в его состав входят также схемы контроля, обеспечивающие контроль протекающего по силовой цепи тока и защиту от перегрузки или короткого замыкания по заданному параметру К (рис. 3).
Эти приборы предназначены для контроля цепей питания и нагрузок. В своей структуре они объединяют элементы как оптрон-
Рис. 5. Диаграмма работы ТКН в режиме ограничения тока и КЗ
ных, так и трансформаторных реле. В состав такого реле входят оптронный канал управления затвором полевого транзистора или ЮБТ, изолированный БСЮС-преобразова-тель, токоизмерительный резистор, цепь контроля тока в нагрузке схемы, которые формируют гальванически изолированный сигнал токовой перегрузки или короткого замыкания и сигналы, пропорциональные уровню тока в нагрузке.
Рассмотрим работу такого реле. ОСЮС-пре-образователь формирует ряд внутренних изолированных источников питания различных узлов прибора: формирователя уровней управления затвором транзисторов, операционных усилителей и компараторов обработки токового сигнала и логических схем. Сигнал управления через оптронную развязку передается на затворы одного (для однополярных реле) или двух (для биполярных реле) транзисторов. Частота сигнала управления может быть до 100 кГц. Выходной усилитель-формирователь обеспечивает подачу на затворы транзисторов отпирающих и запирающих напряжений, при этом запирающие уровни имеют отрицательное смещение для надежного выключения транзистора. Также в схему управления затвором введены специальные элементы, ограничивающие выброс напряжения, связанный с индуктивностью нагрузки до уровня не более предельно допустимого напряжения транзистора.
Последовательно с транзистором включен безиндуктивный низкоомный резистор
(его сопротивление на порядок меньше сопротивления канала транзистора в открытом состоянии), падение напряжения на котором отслеживает уровень тока, протекающего через реле и через нагрузку. Величина падения напряжения на этом резисторе рассчитана так, что уровень 100 мВ соответствует 10-кратной перегрузке, рассматриваемой как короткое замыкание. Сигнал с резистора усиливается на операционном усилителе и поступает на компаратор. К этой же цепи подключен конденсатор, емкость которого определяет скорость нарастания напряжения на компараторе. Второй вход компаратора определяет порог компарирования, определяемый внутренним стабилизированным источником напряжения и резистивным делителем. Величина конденсатора и одного из резисторов делителя может определяться потребителем. Таким образом, для любой нагрузки можно задать допустимую токовременную характеристику К, которая обеспечит безаварийную работу нагрузки (рис. 5).
Одним из применений такого прибора является контроль тока в цепях питания частотных преобразователей или преобразователей напряжения инверторного типа. Применение такого реле обеспечит выдержку в течение заданного времени (для каждого уровня тока это время будет автоматически изменяться, обеспечивая допустимый уровень энергии) некоторой величины тока в нагрузке. При превышении этого времени или
Рис. б. Контроль тока в цепи питания
при КЗ (10-1НОМ) реле выключится за время около 100 нс (рис. 6).
Для защиты реле от возможных бросков напряжения в нем предусмотрен ограничитель, установленный параллельно выходам, напряжение которого ниже предельно допустимого напряжения транзистора, а допустимая энергия рассеяния позволяет «проглотить» любой импульс перенапряжения. Для защиты от перегрева в состав реле введен токовый датчик. При превышении температуры +100 °С реле также будет выключено. Эта особенность реле позволяет использовать его в качестве не только токовой, но и температурной защиты в преобразовательной технике. Помимо этого реле выдает оптически развязанный сигнал ошибки и аналоговый сигнал с ОУ, пропорциональный уровню тока в нагрузке.
Все рассмотренные реле постоянного тока выпускаются на токи от 5 до 250 А. Конструктивно они аналогичны реле переменного тока. Расчет теплового режима реле и необходимых охладителей также аналогичен реле переменного тока, однако следует учитывать, что у полевых транзисторов и ЮБТ помимо статических потерь проводимости необходимо учитывать динамические потери переключения, рекомендации по расчету которых можно найти в литературе или у специалистов «Электрум АВ». Для грубой оценки при работе реле на частоте до 20 кГц можно принимать динамические потери равными потерям проводимости. ■
