Полупроводниковые диоды VD и триоды VT стали основой создания релейной защиты и автоматики второго поколения. В настоящее время в этих устройствах широко применяется элементная база вычислительной техники – полупроводниковые интегральные микросхемы. Интегральная микросхема – это сложное полупроводниковое устройство. Его элементы – диоды, транзисторы, резисторы и конденсаторы – формируются в небольшом объёме.

Использование полупроводниковой элементной базы позволяет повысить быстродействие и надёжность релейной защиты и автоматики, уменьшить массу и габаритные размеры, значительно сократить потребление мощности.

Схемы полупроводниковых элементов, в том числе и интегральные микросхемы, содержат полупроводниковые кристаллические диоды и триоды. На их основе выполняют и измерительную, и логическую части устройств релейной защиты и автоматики.

Полупроводниковые диоды VD и триоды VT содержат так называемые P-N переходы, образованные на месте стыка кристалла дырочной проводимостью P и кристалла с электронной проводимостью N. Сопротивление такого перехода велико в направлении N-P и мало в направлении P-N.

Использование P-N перехода позволяет не только выпрямлять переменный ток, но и усиливать электрические величины. Для этого применяют два P-N перехода и более.

Кристаллический триод – транзистор – имеет два P-N перехода.

Элементы логических органов

Логический элемент времени (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1

При отсутствии сигнала на входе через эммитерный переход VT проходит примой ток, поэтому VT открыт и конденсатор С закорочен. При этом к VD приложено обратное напряжение и он закрыт. Сигнал на выходе отсутствует (Uвых=0).

Устройство действует, если на входе появляется положительное напряжение Uвх, при этом VT закрывается и конденсатор начинает заряжаться. С течением времени потенциал точки а становится ниже потенциала точки б и диод VD открывается, замыкает цепь выхода. На выходе появляется сигнал в виде тока Iвых или напряжение Uвых на нагрузке Rн. Время от момента подачи сигнала Uвх до момента возникновения сигнала на выходе и является выдержкой времени.

Симметричный триггер состоит из двух транзисторов, включенных по схеме с общим эммитером (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2

Резистор R2 связывает коллектор одного транзистора с базой другого, образуя положительную обратную связь. Триггер имеет два входа S и R и два выхода – прямой и инверсный Q (RS – триггер). Схема симметрична, и триггер имеет два устойчивых состояния. В одном из них VT 1 открыт, а VT 2 закрыт, в другом наоборот. Одно из них можно принять за 1, а второе за 0. В каждом из состояний схема может находиться сколь угодно долго.

3.3. Полупроводниковые и микроэлектронные элементы  измерительных органов

Полупроводниковые измерительные реле, как и электромеханические, осуществляют сравнение воздействующих величин по их абсолютному значению и по фазе. В процессе сравнения они преобразуют непрерывные величины на входе в дискретную величину на выходе. Для выполнения схемы сравнения используют диоды, триоды, выпрямители, поляризованные и магнитоэлектрические реле, а также транзисторные и операционные усилители.

Двухкаскадный усилитель в релейном режиме (рисунок3.3).

Рисунок 3.3

В устройствах релейной защиты усилитель используется в качестве нуль-органа схем сравнения. Он отличается от триггера тем, что при отсутствии сигнала на входе транзистор VT1 открыт, а VT2 закрыт. Усилитель приходит в действие при подаче на его вход положительного напряжения Uвх (сигнала), который должен быть достаточным для закрытия VT1. При этом транзистор VT2 открывается. В таком состоянии схема находится до тех пор, пока входной сигнал не будет снят или входное напряжение не уменьшится до некоторого значения. Ток в коллекторной цепи транзистора VT2 изменяется скачкообразно от минимального до максимального значений благодаря обратной положительной связи, обеспечивающей релейное действие усилителя аналогично электромеханическому реле.

Схема сравнения абсолютного значения одной величины с заданным значением (рисунок 3.4)

Она представляет собой нелинейный мост из потенциометра R1 R2, резистора R3 и стабилитрона VD. На вход моста подается предварительно выпрямленное напряжение Uвх. В качестве заданного значения использовано напряжение стабилитрона Uст. С ним сравнивается напряжение потенциометра U1, пропорциональное напряжению Uвх.

U1= Uвх R2/( R1+ R2).                                            (3.1)

Рисунок 3.4

Схемы сравнения абсолютных значений двух электрических величин (рисунок 3.6 - на циркуляцию токов)

Рисунок 3.6

Схемы сравнения состоят из двух выпрямителей VS1 и VS2, выравнивающих сравниваемые величины А и В и исполнительной части ЕА. Различают схемы на равновесие напряжений и схемы на циркуляцию токов. При А>В ток в ЕА имеет одно направление - положительное, а при А<В –отрицательное.