No title

Vážení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, že na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, že ukázka má sloužit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, že není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále šíøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umisováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN – technická literatura

[email protected]

2

POROVNÁNÍ MECHANICKÝCH A POLOVODIÈOVÝCH RELÉ

Pøestože jsou elektronická relé modernìjší, mají vzhledem k elektromechanickým relé jisté nedostatky, které dosud zapøíèiòují, že elektromechanická relé zcela nezanikají. Porovnání nìkterých vybraných hodnotících kritérií je pro relé srovnatelných vlastností v následující tabulce. Tab. 2.1

Porovnání elektronických a elektromechanických relé

YODVWQRVW &LWOLYRVWQDQHVSUiYQpSRXåLWt &LWOLYRVWQDNRUR]LR[LGDFLDNRQWDPLQDFL &LWOLYRVWQDPHFKDQLFNpYLEUDFHD]U\FKOHQt &LWOLYRVWQDUDGLDFL 8QLYHU]iOQRVWSRX]GUD &HQD .RPSDWLELOLWDV77/D&026 6StQDFtDUR]StQDFtGRED 6QDGQRVWRGKDOHQtSRUXFK\ ,]RODþQtQDS WtYVWXS±YêVWXS ,QGLNDFHþLQQRVWL )\]LFNiYHOLNRVWREMHP  +PRWQRVW 0RåQRVWYtFHQiVREQêFKYêVWXS  (OHNWULFNiåLYRWQRVW 0RåQRVWU\FKOpKRS HStQiQt 0RåQRVWVStQiQt$&L'& 0RåQRVWVStQiQtLQGXNþQt]iW åH 0RåQRVWVStQiQtPDOêFKQDS Wt 0RåQRVWSURYR]XYHYOKNX 0RåQRVWSURYR]XYHYêEXãQpPSURVW HGt 0RåQRVWV\QFKURQQtKRVStQiQt 0RåQRVWVStQiQtYQXOH 0RåQRVWY\StQiQtYQXOH 0RåQRVWIi]RYpKR t]HQtYêNRQX 0RåQRVWFHORYOQQpKR t]HQtYêNRQX ÒE\WHNQDS WtQDVHSQXWêFKVYRUNiFK

A

HOHNWURPHFKDQLFNpUHOp PDOi ]QDþQi ]QDþQi åiGQi GREUi S LMDWHOQi åiGQi GORXKi GREUi N9 YL]XiOQ NRQWDNW\ GREUi Y Wãt VQDGQi ãSDWQi ãSDWQi YåG\ DQR DQR RPH]HQi RPH]HQi QH QH QH QH QH PDOê

HOHNWURQLFNpUHOp ]QDþQi WpP åiGQi åiGQi ]QDþQi PDOi Y\VRNi GREUi NUiWNi PDOi >N9 YL]XiOQ /(' OHSãt PHQãt KRUãt GREUi GREUi Q NWHUpW\S\ DQR RPH]HQ  VQDGQi EH]RPH]HQt DQR DQR DQR DQR DQR YHONê

2 POROVNÁNÍ MECHAN. A POLOVOD. RELÉ

87

Tab. 2.1 (pokraèování)

Porovnání elektronických a elektromechanických relé

=WUiWRYêYêNRQ 1XWQRVWFKODGLþH ([LVWHQFHREORXNXS LUR]StQiQt =DNPLWiYiQtNRQWDNW  9êVWXSQtRGSRUYUR]HSQXWpPVWDYX 9êVWXSQtRGSRUYVHSQXWpPVWDYX *HQHURYiQtUXãLYêFKVLJQiO  0RåQRVWVRIWVWDUWX &LWOLYRVWQDH[WHUQtPDJQHWLFNiSROH &LWOLYRVWQD]YêãHQtRNROQtWHSORW\ &LWOLYRVWQDHOHNWURPDJQHWLFNpUXãHQt &LWOLYRVWQDGLGWDGXGW

2.1

PDOê QH DQR DQR >0W <W YHONp QH YHONi PDOi PDOp åiGQi

YHONê REY\NOHDQR QH QH >NW <W PDOp DQR PDOi YHONi Y Wãt Y Wãt

Hybridní relé

Hybridní relé kombinuje elektromechanické a elektronické technologie, kde se snaží nabízet výhody obou bez jejich nevýhod. Tato kombinace mùže nabývat nejrùznìjších podob podle toho, jaké zámìry a vlastnosti výsledného hybridního relé konstruktér sleduje. Možností je tedy celá øada, v praxi lze najít tyto kombinace: l zvýšení vstupní citlivosti tranzistorovým pøedzesilovaèem v rùzném zapojení, výstupem zùstává relé, l vložení malovýkonového elektromechanického relé (obvykle jazýèkového) jako galvanické oddìlení øídicího vstupu od triakového výkonového výstupu, l konstrukce hybridního relé s proudovým vstupem pomocí jazýèkového relé s cívkou o malém poètu závitù tlustým vodièem, l vytváøení pomocných funkcí k SSR, které vyžadují galvanické oddìlení jak od vstupního øídicího obvodu, tak od výstupního silového, l snížení ceny hybridního relé oproti tøífázovému SSR v pøípadì nutnosti øízení slaboproudými signály z èidel a èíslicových øídicích jednotek použitím spínací logiky k tøífázovému stykaèi.

STEJNOSMÌRNÁ HYBRIDNÍ RELÉ Nejèastìjším pøípadem vytváøení hybridního relé je pøípad, kdy potøebujeme øídit spínání klasického elektromechanického relé (stykaèe) signálem, který je menší (menší napìtí, menší proud), než potøebuje vlastní elektromechanické relé. Pokud je toto relé stejnosmìrné, pak lze užít základní zapojení podle obr. 2.1. Jeho výhodou je, že vlastní elektromechanické relé mùže mít i více typù kontaktù (spínací, rozpínací, pøepínací), které mohou být vzájemnì mechanicky justovány (napø. u pøepínacího kontaktu: napøed rozepni, pak sepni, nebo napøed sepni a pak rozepni apod.). Relé mùže být relativnì na velmi rùzné stejnosmìrné napìtí a toto napìtí udává velikost pomocného napìtí UCC. Nutností je užití ochranné diody D, která chrání tranzistor T proti

88

ALEXANDR KREJÈIØÍK: SOLID STATE RELÉ

A

pøepìtí, které vzniká pøi rozepnutí proudu indukèností cívky relé Re. Odpor R1 omezuje vstupní proud ze zdroje UIN na hodnotu, kterou potøebuje tranzistor T (a odpor R2) pro sepnutí. Odpor R2 chrání tranzistor T proti náhodnému sepnutí rušivým signálem, pokud by byl vstupní signál odpojen a vstup by byl naprázdno. 8 && 5H 5

YVWXS

UH

YêVWXS

7

5

*1'

Obr. 2.1

'

*1'

Základní zapojení hybridního relé

Pokud by vstupní signál byl úrovních TTL, pak je vhodné do emitoru tranzistoru T zapojit køemíkovou diodu v propustném smìru. Zabezpeèí se tak, že tranzistor T nebude moci sepnout pøi úrovni logické nuly vstupního øídicího napìtí. Diodu D navrhujeme na závìrné napìtí UR > UCC a na propustný proud IF > UCC / Rre, kde Rre je stejnosmìrný odpor relé Re. Tranzistor T musí být dimenzován na stejnou hodnotu napìtí UCEmax = UR a ICmax = IF. Pokud by h21E tohoto tranzistoru bylo malé a vstupní øídicí proud by byl nepøijatelnì velký, je možno na místì tranzistoru T volit Darlingtonovo zapojení dvou èi více tranzistorù, nebo rovnou tranzistor MOSFET. Odpor R2 volíme obvykle tak, aby jím tekl nìkolikanásobek (n . IB) bázového proudu tranzistoru T a odpor R1 vypoèteme:

5 = (8,1 ± 8%( )  (,% + Q  ,% )  Z tohoto vztahu vyplývá, že minimální ovládací napìtí UIN nemùže být menší než hodnota UBE = 0,7 V. Pokud bychom mìli k dispozici pouze menší hodnotu UIN, museli bychom použít zesilovaè s OZ. Pro inverzi funkce se nìkdy dá použít zapojení podle obr. 2.2. Nahradíme tak použití elektromechanického relé s rozpínacím kontaktem (které nemáme) použitím relé s kontaktem spínacím. 8 && 5

YVWXS 8 ,1 *1'

Obr. 2.2

A

UH

YêVWXS

5 5

7

5H

' *1'

Zapojení relé Re paralelnì k tranzistoru T

2 POROVNÁNÍ MECHAN. A POLOVOD. RELÉ

89

Pokud není pøipojeno vstupní napìtí UIN, je tranzistor T rozepnut a relé Re sepnuto. Velikost pomocného napìtí UCC musí být tentokrát vyšší o úbytek napìtí na odporu R3, jehož velikost snadno urèíme ze vztahu:

5 = (8&& ± 85( )  5UH  8UH  kde URE je velikost spínacího napìtí relé Re a Rre je jeho stejnosmìrný odpor. Tímto odporem R3 protéká plný proud relé Re a odpor R3 musí být tedy dimenzován na výkon PR3 = (UCC – UCES)2 / R3. Tranzistor T musí být dimezován na proud, který protéká pøi jeho sepnutí ICmax > IC = = (UCC – UCES) / R3, kde UCES je saturaèní napìtí tranzistoru T pøi jeho sepnutí. Toto zapojení sice vykazuje malou úèinnost, ale nìkdy výhodnì nahrazuje nedostatek rozpínacích kontaktù u elektromechanických relé malých výkonù. Pokud by se jednalo o relé s vìtším spínacím proudem, pak je vhodnìjší provést inverzi dalším tranzistorem, obr. 2.3. 8 && 5

YVWXS 8,1 *1'

Obr. 2.3

5

5H

'

7 UH

YêVWXS

7 5

'

*1'

Inverze funkce vložením dalšího tranzistoru

Funkce diody D1 byla diskutována výše, stejnì jako prvkù R1, R2 a D1. Odpor R3 volíme vztahem:

5 = (8&& ± 8%(  ± 8) )  (,%  N V )  kde IB2 je minimální hodnota proudu báze tranzistoru T2, pøi které spíná relé Re (obvykle zanedbáváme hodnotu zbytkového proudu ICEO1) a kS je hodnota tzv. saturaèního koeficientu, který udává bezpeènost sepnutí tranzistoru T2, ale zavádí jej dále do saturace. Aby tato saturace nebyla zbyteènì hluboká, volí se obvykle hodnota koeficientu saturace 2–3. Hybridní relé má tedy v klidu (bez pøiloženého vstupního napìtí UIN sepnutý kontakt relé re1. Jakmile pøipojíme napìtí UIN, tranzistor T1 spíná, protéká jím proud IC1 = = (UCC – UCES2) / R3, který je znaènì menší než v pøedchozím pøípadì a je na nìm napìtí UCES1 o velikosti obvykle do 0,5 V. Aby toto napìtí spolehlivì rozepnulo tranzistor T2, vkládáme do jeho emitoru diodu D2. Tranzistor T2 tak potøebuje pro svoje sepnutí napìtí UBE2 + UF2 = 0,7 + 0,7 = 1,4 V a to je hodnota podstatnì vyšší, než jakákoliv hodnota UCES1 tranzistoru T1. Pokud by bylo nutno z hlediska velikosti vstupního napìtí v logické nule TTL chránit diodou v emitoru tranzistor T1, pak musí v emitoru tranzistoru T2 být zapojeny v sérii diody dvì. Staèí jakékoliv Si diody na patøièný proud.

90

ALEXANDR KREJÈIØÍK: SOLID STATE RELÉ

A

U elektronických relé bývá èasto zabudována optická signalizace sepnutého stavu SSR pomocí LED, protože stav SSR na nìm není pøímo vidìt. Pokud by se taková potøeba vyskytla u hybridního relé popisovaného typu, lze svítivou diodu zapojit paralelnì k cívce relé, obr. 2.4. /(' 5 YVWXS 8,1

8 &&

5H '

5 UH 5

*1'

Obr. 2.4

YêVWXS

7 *1'

Indikace sepnutí hybridního relé svítivou diodou

Odpor R3 omezuje velikost proudu svítivou diodou na její propustný proud IF doporuèené hodnoty v katalogu a jeho hodnota se spoète z:

5 = (8&& ± 8)/(' ± 8&(6 )  ,) 

Obvykle lze v tomto vztahu zanedbat hodnotu saturaèního napìtí tranzistoru UCES, ale je-li napájecí napìtí UCC malé (pracovní napìtí relé Re je malé), pak to mùže zpùsobit velkou chybu nastavení proudu. Hodnotu napìtí UF(LED) získáme nejpøesnìji z VA charakteristiky LED z katalogu, ale pro UCC nad 10 V ji mùžeme s minimální chybou odhadnout na 1,7 V.

STØÍDAVÁ HYBRIDNÍ RELÉ Pokud v zapojeních hybridních relé chceme na jejich výstupu užít støídavé elektromechanické relé Re (stykaè), pak jako spínací prvek užijeme triak Tr, obr. 2.5. Ii]H9 5H

YVWXS 8 ,1 *1'

Obr. 2.5

5 5

UH

7U

YêVWXS

&R 5R QXOD

Hybridní relé s triakem Tr

Vzhledem k tomu, že nelze triak chránit diodou jako v pøedcházejících pøípadech tranzistor, mùžeme použít buï RC ochranu paralelnì k hlavní dráze triaku (kondenzátor Co a odpor Ro), nebo pro nižší napìtí dvojici antisériovì zapojených Zenerových diod, nebo transilù. V dnešní dobì se již vyrábìjí i transily na vysoká napìtí, takže jejich aplikace sahá až do hodnot síových napìtí. V øadì pøípadù pøi nízkém spínaném støídavém napìtí se vyplatí vzhledem k souèasným cenám silnì napìovì pøedimenzovat triak Tr

A

2 POROVNÁNÍ MECHAN. A POLOVOD. RELÉ

91

(napø. pøi použití relé na 12 V støídavých užít triak na napìtí 600 V) a zcela vynechat jeho ochrany. Odpor R2 má stejnou funkci jako v pøedcházejících zapojeních – omezit vliv nežádoucích rušivých signálù a tím omezit nežádoucí spínání triaku Tr a tím i relé Re. Odpor R1 omezuje velikost øídicího proudu IG triaku pro danou hodnotu stejnosmìrného vstupního napìtí UIN. Toto zapojení je pomìrnì èasté, protože je jedním z mála zpùsobù, jak snadno spínat støídavé relé Re stejnosmìrným vstupním signálem UIN. Na místì triaku Tr lze v nouzi užít pro pomalejší relé Re i tyristoru. Ten by byl sepnut pouze po dobu kladné pùlperiody síového napìtí s kmitoètem 50 Hz, tj. po doby vždy 10 ms v každé periodì. Je-li však doba odpadu hmotnìjších elektromechanických relé až 200 ms, bude relé Re stále pøitažené, ale bude hluèet.

GALVANICKÉ ODDÌLENÍ Nejèastìjším typem galvanického oddìlení je dnes užití optronu. Pøesto jsou aplikace hybridních relé, kde se vyplatí místo optronu užít malovýkonové relé, obvykle jazýèkové (jazýèkové relé je sklenìná trubièka se dvìma feromagnetickými kontakty, vložená do cívky). Toto jazýèkové relé mùže být vstupním signálem buzeno pøímo, ale odpor jeho cívky je maximálnì nìkolik set ohmù. Proto se i zde èasto užívá pøedzesilovaè s tranzistorem, obr. 2.6. Ani u tohoto zapojení nelze konstruovat hybridní relé se spínáním v nule, ale dochází alespoò k vypínání v okolí nuly. V souèasné dobì s rozvojem výroby optoèlenù (SSR) s pilotním triakem tato aplikace mizí. Døíve mìla tu výhodu oproti optronu, že ji bylo možno použít i pro vysoká výstupní napìtí, kdežto výstupní tranzistor optronu má maximální napìtí okolo 40 V. 8 &&

YVWXS *1'

Obr. 2.6

5H

'

UH

5

7U

5

YêVWXS

7

5

Užití elektromechanického relé jako galvanického oddìlení

8&&

5H

5)

' 5

7

UH

YêVWXS

5 *1'

Obr. 2.7

92

Hybridní relé s fotoodporem, které spíná pøi nárùstu osvìtlení

ALEXANDR KREJÈIØÍK: SOLID STATE RELÉ

A

SPOLUPRÁCE HYBRIDNÍHO RELÉ S ÈIDLEM Pomìrnì èasté je užívání hybridních relé ve spojitosti s èidly, která nedávají sama o sobì dostateènì velké signály pro spínání elektromechanických relé a ani dost velké proudy pro vstup SSR, která mají na vstupu LED. Klasickými èidly tohoto typu jsou napø. fotoodpory pro indikaci dostateèné hladiny osvìtlení a její vyhodnocení pomocí hybridního relé, obr. 2.7. Jakmile je fotoodpor RF osvìtlen, klesá jeho odpor, mìní se dìlicí pomìr dìlièe, ve kterém je zapojen a roste proud báze tranzistoru T a ten spíná a následnì spíná relé Re. Pøi poklesu osvìtlení fotoodporu RF pod kritickou mez, nastavenou promìnným odporem (potenciometrem) R1 tranzistor T vypíná a následnì i relé Re. Pøi nedostateèném osvìtlení RF je tedy kontakt re1 rozepnut. Opaèný pøípad lze modifikovat pøesunem fotoodporu RF, obr. 2.8. Pokud bychom napø. použili elektromechanické relé na stejnosmìrné napìtí 5 V, pak tranzistor T mùže být typu 2N2222, dioda D = 1N914, R2 = 1 kW, R1 = 50 kW a napájecí napìtí staèí o velikosti UCC = 6 V. Fotoodpor RF je libovolný typ, prahové úrovnì spínání resp. rozpínání relé Re se individuálnì dostaví potenciometrickým trimrem R1.

'

5

5)

8 &&

5H

5

UH

YêVWXS

7 *1'

Obr. 2.8

Hybridní relé s fotoodporem, které spíná pøi poklesu osvìtlení

PROUDOVÉ RELÉ Velmi zajímavá je možnost dosažení velmi nízkého vstupního odporu tam, kde hybridní relé má reagovat na velikost snímaného proudu. Jako relé použijeme pouze jazýèkový kontakt, ovinutý nìkolika závity silného izolovaného Cu vodièe, obr. 2.9. Každý typ jazýèkového kontaktu má charakteristickou konstantu, udávající pøi jaké hodnotì intenzity magnetického pole v místì jazýèkù dojde k jejich sepnutí (feromagnetické jazýèky se ve vnìjším poli zmagnetizují, prohnou se a v místì kde se dotknou jsou

]iWDY

&XYRGLþ Obr. 2.9

A

IHURPDJQHWLFNpMD]êþN\

VNOHQ QiWUXELþND

Jazýèkový kontakt

2 POROVNÁNÍ MECHAN. A POLOVOD. RELÉ

93

pro snížení kontaktního odporu pozlaceny). Tato konstanta je pro rùzné typy tìchto jazýèkù rùzná a pohybuje se od 10 Az do 100 Az. Pøedpokládejme, že chceme reagovat na proud vinutím cívky I = 10 A a máme jazýèkový kontakt s konstantnou K = 60 Az. Potom pro sepnutí jazýèkového relé potøebujeme navinout N = K / I = 60 / 10 = 6 závitù. Obvykle volíme Cu vodiè s lakovou (smaltovou) izolací, který musí vyhovìt proudovì a doporuèená proudová hustota je okolo j = 5 A/mm2. V našem pøípadì tedy vychází S = I / j = 10 / 5 = 2 mm2 a tomu odpovídá prùmìr vodièe d = Ö(4 . S / p) = Ö(4 . 2 / p) = 2,54 mm. Obvykle pro dosažení malého odporu cívky (vstupní odpor hybridního relé) volíme vodiè ještì silnìjší, napø. d = 3 mm. Pøedpokládejme, že daný typ jazýèkového kontaktu má prùmìr sklenìné trubièky d1 = 6 mm. Potom vodiè o prùmìru 3 mm je vlastnì navinut do závitù na støedním prùmìru d2 = d1 + 2 . d/2 = 6 + 3 = 9 mm. Délka vodièe, tvoøícího cívku (vinutí) je l = N . p . d2 + + délka pøívodù = 6 . p . 9 + 20 = 190 mm » 0,2 m. Je-li tato cívka z Cu vodièe, pak její odpor vypoèteme:

(

)

(

)

5 = r    6 =   p  G   =     p      = =  ±  W =  P W 

Ve skuteènosti do vstupního odporu hybridního relé je nutno ještì zapoèítat odpor pájených spojù a pøívodních vodièù, ale pøesto takto malou hodnotu odporu pro snímání proudu nelze prakticky jinak jednoduše zabezpeèit. Pokud bychom nechali jazýèkový kontakt s cívkou jen podle obr. 2.9, jednalo by se o klasické elektromechanické relé. Jazýèkový kontakt sám o sobì je schopen spínat proud do cca 0,5 A. Proto jej pro vìtší dosažitelné spínané proudy kombinujeme s polovodièovým spínacím prvkem, obvykle výkonovým tranzistorem (v obvodech stejnosmìrného napájení), nebo s triakem (pro spínání støídavých proudù), obr. 2.10.

YVWXS

5

5H

7

UH

YêVWXS

D

YVWXS

5H

5 UH

YêVWXS 7U

E

Obr. 2.10

94

Hybridní relé s jazýèkovým kontaktem a) stejnosmìrné, b) støídavé

ALEXANDR KREJÈIØÍK: SOLID STATE RELÉ

A

Vstupní proud jazýèkového relé Re musí být samozøejmì stejnosmìrný. Pokud bychom chtìli indikovat støídavý proud, musíme hybridnímu relé na vstup dodat mùstkový usmìròovaè s nabíjecím kondenzátorem, dimenzovaným tak, aby proud cívkou nepoklesl pod požadovanou hodnotu. Je tøeba mít na pamìti, že vzhledem ke své velmi malé hmotnosti pracují jazýèky (spínání a rozpínání) až na kmitoètu f = 400 Hz, tj. pøi kmitoètu sítì dvoucestnì usmìrnìném (f = 100 Hz) by jazýèek spolehlivì spínal a vypínal v každé pùlperiodì síového napìtí. Pøedøazení usmìròovaèe však podstatnì zvyšuje úbytek vstupního napìtí hybridního relé. Je tedy výhodnìjší místo usmìròovaèe na vstupní stranì použít zapojení podle obr. 2.11, kde pro tranzistor T staèí pøipojit kondenzátor C o dostateèné kapacitì a pro zapojení s triakem Tr jej vybavit navíc ještì diodou D. Pro zapojení v obvodech stejnosmìrného výstupního napìtí (obr. 2.11a) staèí doplnit mezi bázi a emitor tranzistoru T kondenzátor C o takové kapacitì, aby jeho vybíjecí proud staèil zásobovat tranzistor T bázovým proudem dostateèné velikosti pro trvalé sepnutí tranzistoru T. Kapacita kondenzátoru C se obvykle urèuje empiricky a nesmí být volena zbyteènì velká – docházelo by tak k prodloužení vypínací doby hybridního relé. Pøi støídavém výstupním napìtí (obr. 2.11b) je situace mírnì komplikovanìjší. Je nutno pøevést spínání triaku støídavým proudem (obr. 2.10b) na spínání stejnosmìrným proudem opìt pomocí pøidaného kondenzátoru C, ale nabíjeného pøes diodu D stále stejnou polaritou (kladnou) výstupního napìtí pøes odpor R. V souèasné dobì jsou na trhu i jazýèkové kontakty rozpínací a pøepínací, takže variabilita zapojení s tímto elektromechanickým prvkem dále roste. Vhodnou velikost magnetického pole pro sepnutí (pøepnutí) jazýèkového kontaktu lze samozøejmì získat i permanentním magnetem.

YVWXS

5 UH

5H

7

YêVWXS

& D 5 YVWXS

5H

UH '

7U

YêVWXS

&

E

Obr. 2.11

A

Doplnìní kondenzátoru pro støídavý vstup

2 POROVNÁNÍ MECHAN. A POLOVOD. RELÉ

95