Вариант схемотехнической реализации твердотельного реле переменного тока с контролем функционирования



Широкое распространение в настоящее время получили твердотельные реле (ТТР) [1] переменного тока на основе силовых полупроводниковых элементов с неполным управлением — тиристоров и симисторов. К их основным преимуществам перед электромагнитными реле, можно отнести:

— отсутствие дребезга и механического износа контактов;

— высокая скорость работы;

— высокая надежность;

— относительная дешевизна.

Возможностью большинства присутствующих на рынке ТТР является лишь коммутация силовой нагрузки по сигналу управления. Однако ряд областей применения ТТР требуют удаленного контроля их работоспособности, в частности, при размещении реле в местах, доступ к которым затруднен [2].

Указанные требования привели к появлению на рынке твердотельных реле с контролем функционирования (КФ). Данные ТТР оснащены сигналом обратной связи «ошибка», оповещающего схему управления о возможном возникновении неисправности, как в самом реле, так и в нагрузке. Типовая функциональная схема подобного реле с оптической гальванической развязкой представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Типовая функциональная схема ТТР с КФ:

«Uпит». — напряжение питания;

«Uупр». — напряжение управления;

«Ошибка» — выход сигнала ошибки;

«Общ». — общий провод схемы управления

Рассмотрим типичные неисправности, которые могут произойти в ходе эксплуатации ТТР. На рисунке 2 представлена типовая схема включения ТТР.

Рис. 2. Типовая схема включения ТТР

В таблице 1 представлены возможные состояния выводов ТТР при эксплуатации в зависимости от внешних сигналов.

Таблица 1

Возможные состояния выводов ТТР

№	Напряжение, U упр.	Напряжение, Uвых.	Ток нагрузки	Описание
1	L	H	L	норма — ТТР выключено
2	H	L	H	норма — ТТР включено
3	L	x	H	сбой — пробой силового элемента
4	L	L	L	сбой — обрыв цепи нагрузки
5	H	H	x	сбой — нет включения
6	H	x	L	сбой — нет включения
Условные обозначения уровней в таблице: H — высокий уровень напряжения/тока; L — низкий уровень или отсутствие напряжения/тока; x — уровень напряжения/тока не имеет значения.

Как видно из таблицы, только состояния 1 и 2 являются допустимыми режимами функционирования ТТР, все остальные — аварийные. Реле с КФ обязано корректно обрабатывать все аварийные состояния, выставляя соответствующий сигнал ошибки.

Тестирование ряда ТТР переменного тока с КФ, представленных на рынке [3; 4], позволило выявить недостатки, присущие большинству из них, а именно:

— неполный контроль состояния реле в соответствии с таблицей 1: часть протестированных реле была не способна определить отказ схемы управления;

— не детектируется неисправность силового выхода в одной полярности (при выходе из строя одного силового ключа);

— невозможность определения обрыва цепи питания: при обрыве питания выход ошибки переводился в состояние «отсутствие ошибки»;

— отсутствие раздельной индикации наличия питания/входного сигнала, что может ввести пользователя в заблуждение относительно причины отказа ТТР.

Для устранения вышеназванных недостатков предлагается оригинальная схемная реализация ТТР переменного тока, представленная на рисунке 3 (функционально схема соответствует рисунку 1).

Рис. 3. Предлагаемая схемная реализация ТТР с контролем функционирования (часть схемы):

«control» — сигнал управления (активный уровень — H);

«Vcc» — напряжение питания схемы;

«Alarm» — выход сигнала ошибки (открытый сток, активный уровень — Z);

L1, T1 — силовые выходы реле;

VS1, VS2 — тиристоры со встроенными помехоподавляющими резисторами по управлению.

Для краткости на рисунке 3 не представлена схема питания реле.

Поясним основные принципы контроля функционирования ТТР, реализованные в предлагаемой схеме:

1) Микросхема DA1 исполняет роль датчика тока выходных каскадов управляющих драйверов DA3, DA4, косвенно контролируя ток нагрузки: при включении драйверов она разряжает фильтрующий конденсатор C1 каждые полпериода силового напряжения, формируя низкий сигнал на резисторе R7.

2) Микросхема DA2 является датчиком выходного напряжения: когда силовые ключи закрыты и входное напряжение велико — на фильтрующем конденсаторе C2 поддерживается напряжение питания.

3) Инвертор сигнала управления DD1.1 и логические микросхемы DD2.1, DD2.2 формируют сигнал на конденсаторе C4 в соответствии с таблицей 2.

Таблица 2

Сигнал на конденсаторе C 4 в зависимости

Напряжение управления « control »	Ток драйверов	Напряжение, Uвых.	Напряжение на конденсаторе C4	Описание состояния
L	H	x	H	сбой — есть ток через драйверы при выключенном реле
L	Х	L	H	сбой — низкое напряжение на ключах при выключенном реле (обрыв нагрузки)
L	L	H	L	норма — ТТР выключено
H	L	x	H	сбой — нет тока нагрузки
H	x	H	H	сбой — нет включения силовых ключей
H	H	L	L	норма — ТТР включено
Условные обозначения уровней в таблице: H — высокий уровень напряжения/тока; L — низкий уровень или отсутствие напряжения/тока; x — уровень напряжения/тока не имеет значения.

Из таблицы 2 видно, что высокое напряжение на конденсаторе C4 соответствует неисправному состоянию реле либо нагрузки. Причем схема корректно реагирует на любой вид неисправности, который может возникнуть при эксплуатации ТТР в соответствии с таблицей 1. Далее сигнал с конденсатора C4 формирует сигнал ошибки — размыкает ключ VT4. Выход сигнала ошибки в данной схеме представляет собой «открытый сток». Преимуществом выхода «открытый сток» является также автоматическое появления сигнала ошибки при обрыве цепи питания ТТР.

Также можно выделить дополнительные положительные особенности разработанной схемы:

— коммутация напряжения в нуле фазы (за счет использования соответствующих драйверов);

— раздельная светодиодная индикация наличия питания / сигнала управления / ошибки функционирования;

— защита от перенапряжений по входу и выходу с помощью защитных диодов (TVS);

— повышенная помехозащищенность по цепям управления благодаря использованию входных / выходных буферов с триггерами Шмитта;

— низкий ток управления;

— широкий диапазон напряжений питания (4,2...32 В) и управления (3...32 В);

— сигнал ошибки формируется по схеме «открытый сток», что позволяет корректно определять обрыв цепи питания ТТР;

— высокая нагрузочная способность выхода «Ошибка» (300 мА / 50 В).

Преимущества разработанной схемы ТТР позволяются рекомендовать ее к применению в следующих областях:

— управление удаленными объектами, находящимися в труднодоступной местности;

— системы, требующие повышенной надежности (железнодорожный транспорт, электростанции, системы бесперебойного энергообеспечения и т. д.);

— системы управления и мониторинга производством, в том числе опасные для здоровья производства;

— системы, требующие высокой скорости выявления неисправностей, проведения диагностики и наладки;

— интегрированные системы управления с обратной связью.

Литература:

1. С. Волошин, С. Архипов. Современные оптоэлектронные приборы для силовой электроники [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://www.electronics.ru/journal/article/1560 (Дата обращения 21.12.2020)
2. «Современные тенденции развития твердотельных реле» Электронный ресурс] — Режим доступа: https://www.yumpu.com/xx/document/read/25453477/-pdf- (Дата обращения 23.12.2020)
3. Реле общего назначения [Электронный ресурс] –Режим доступа: https://carlogavazzi.su/rele-obshhego-naznacheniya-carlo-gavazzi/ (Дата обращения 24.12.2020)
4. Product Guide [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://www.celduc-relais.com/wp-content/uploads/GUIDUK2019.pdf (Дата обращения 24.12.2020)