УСИЛИТЕЛИ И РЕЛЕ

ПОКРЫТЫЕ хлопьями пены, изнуренные кони подтащили к почтовой станции тяжелый дилижанс. Здесь ловкие кучера быстро заменили лошадей свежей упряжкой, и дилижанс покатил к следующей станции. Так еще не очень давно путешествовали «на перекладных».

Замена усталых лошадей свежими называлась во Франции «реле». Когда в середине прошлого века во многих странах стали строить электрические телеграфы, то обнаружилось, что ток батареи передающей станции ослабевает с расстоянием из-за сопротивления проводов и утечки между проводами линии. До конца длинной линии ток доходил настолько ослабевшим, что приемный телеграфный аппарат не работал.

И строители телеграфов придумали, как «перепрягать» ток в пути, заменять ослабевший сильным. Это делалось так: вся линия разделялась на несколько участков, в конце каждого из которых стояло устройство, состоящее из электромагнита с подвижным якорем и контактами. Пришедший издалека слабый ток попадал в обмотку электромагнита. Якорь притягивался к сердечнику и замыкал с помощью контактов цепь тока от местной батареи. Этот ток, гораздо более сильный, чем пришедший, направлялся в следующий участок линии.

По сходству с перепряжкой лошадей новый электротехнический прибор был назван старинным французским словом «реле». Одно из первых электрических реле было построено в России П. Л. Шиллингом в 1830 году.

Электромагнитное реле — электромагнит, якорь которого переключает одну или несколько цепей, — старейший прибор электроавтоматики и вместе с тем один из наиболее распространенных элементов современной автоматики. Многие автоматические защитные и управляющие системы (например, телефонные станции) содержат тысячи электромагнитных реле.

Современные чувствительные электромагнитные реле требуют для срабатывания — переключения контактов из одного положения в другое — мощность не более тысячной доли ватта. Самое короткое время срабатывания электромагнитного реле — тысячные доли секунды. При необходимости время срабатывания может быть удлинено (например, в электромагнитных реле времени) до нескольких десятых долей секунды.

Электрическая цепь, по которой приходит к реле слабый сигнал, называется управляющей. Она упоавляет, командует другой цепью — управляемой, в которой появляется сильный ток.

То, что входит в реле, — это входная мощность, или мощность управления, а другая мощность — га, которой управляет реле, — называется выходной. Отношение выходной мощности реле к мощности управления называют коэффициентом управления.

Для электромагнитных реле этот коэффициент управления бывает в пределах от нескольких единиц до нескольких тысяч.

Электромагнитные реле, применяемые для переключения сравнительно мощных цепей тока (от сотен ватт до сотен киловатт), часто называют контакторами.

В дальнейшем название «реле» стало применяться не только к электромагнитным приборам, но и к любым другим устройствам, приводящим в действие одну или несколько управляемых цепей под воздействием сигнала управляющей цепи. В начале нашего века, когда впервые появились электронные лампы с управляющей сеткой, они получили название «электронные реле».

Схема поляризованного реле

Часто словом «реле» называют элемент, связывающий разнородные цепи. Например, фотоэлектрическое реле превращает изменение освещенности в изменение электрического тока. Существуют механоэлектрические и электромеханические реле, пневмоэлектрические и электропневматические реле и т. д. Понятие «реле» сейчас в технике означает всегда такой элемент, который при плавном изменении входного воздействия переходит скачком из одного положения равновесия в другое: при достижении известного значения входной (управляющей) величины изменяется резко, скачком выходная (управляемая) величина.

Другие устройства (элементы), которые при плавном изменении входа дают также плавное, приблизительно пропорциональное, но более мощное изменение выхода, называются усилителями.

Но между усилителями и реле нельзя провести резкую границу. Можно сделать так, что контактное электромагнитное реле будет плавно и пропорционально усиливать входную мощность, то есть станет усилителем» Для этого надо применить соответствующие схемы включения и соответствующий режим, например вибрационный.

Наоборот, электронную лампу, используемую в большинстве радиотехнических устройств (в радиоприемниках) как усилитель, можно при соответствующей схеме включения заставить резко, скачком переходить из режима пропускания тока в режим полной непроводимости, и наоборот. Лампа превратится в реле.

В современной автоматике применяется ряд конструкций бесконтактных электрических реле — например, дроссели с ферромагнитными сердечниками. Эти же дроссели широко применяются в качестве усилителей.

Поэтому правильнее говорить не о типах устройств (элементов) — усилители или реле, а о режимах работы — усилительных или релейных.

Выбор того или иного реле определяется различными техническими и экономическими соображениями. Например, электронные пампы очень чувствительны и мало инерционны. Но катод электронной лампы надо непрерывно накаливать во все время работы лампы. Эта особенность электронных ламп не позволяет применить их в таких устройствах, где недопустим подобный расход мощности.

В некоторых машинах и аппаратах наиболее выгодны гидравлические реле. Иногда предпочтение отдается пневматическим устройствам. Идет непрестанная конкуренция между разными типами электрических реле и усилителей.

Несмотря на многообразие типов реле и усилителей, есть показатели, характерные для всех них без исключения. По этим показателям их можно сравнивать между собой:

1. Постоянная времени — то время, которое проходит от момента подачи сигнала на вход реле до момента срабатывания реле.

2. Входная мощность — мощность, необходимая для нормальной работы данного реле или усилителя.

3. Выигрыш по мощности — отношение мощности выхода к мощности входа. То, что называют коэффициентом усиления или коэффициентом управления.

Эти-то показатели и служат основой для постройки «полок», на которых можно расставить все встречающиеся в природе и применяемые в технике усилители и реле.

Посмотрите на цветную вкладку. Каждая полка соответствует определенной величине входной мощности. Снизу — самая маленькая входная мощность а переход вверх с полки не полку означает увеличение входной мощности в 1 000 раз (103 раз).

Для нижних четырех полок мощность показана в ваттах, для верхних — в киловаттах.

Слева направо по полкам идут деления, отвечающие разным постоянным времени: начиная с одной миллиардной доли секунды до 1 000 сек.

От дальнего края полок на вас идут деления, показывающие величину коэффициента усиления реле и усилителей. В глубине полок по самому дальнему краю размещаются приборы с коэффициентом усиления, равным единице. Приборы с меньшим коэффициентом усиления — это уже не усилители и не реле.

В соответствии со своими характеристиками на полках может быть установлено любое реле или усилитель. На каждом участке полок можно поставить, разумеется, не один какой-либо прибор, а множество разного типа реле или усилителей. Они будут иметь равные принципы работы, разное конструктивное оформление, разный вес и размеры, но у них будут одинаковые мощность, коэффициент усиления и постоянная времени.

На наших полках изображены только некоторые типичные представители современных усилителей и реле. В левой части полок находятся caмые быстродействующие, наименее инерционные устройства. В правой части полок — наоборот, те, у которых постоянная времени велика.

На верхних полках помещаются самые мощные реле и усилители, на нижних — самые чувствительные, довольствующиеся малой мощностью управления.

У дальнего края полок размещены устройства с наименьшим усилением, а чем ближе к нам, тем соответственно усиление больше.

Зная мощность входа и коэффициент усиления, можно вычислить выходную мощность. Она равна произведению мощности входа на коэффициент усиления.

Однако часто бывает мало того усиления, которое дает одно реле или усилитель. Тогда их включают последовательно, каскадами: выход одного прибора может идти на вход следующего, более мощного. Расположенные один над другим на полках, усилительные и релейные приборы могут соответствовать последовательным каскадам усиления. Усилительные и релейные приборы в многокаскадных схемах включения как бы передают эстафету с нижних полок на верхние.

В современной технике применяются устройства, в которых каскадно включаются сотни усилительных и релейных приборов и общий коэффициент усиления достигает 10 в степени нескольких сотен!

Надо заметить, что классификация усилителей и реле по величине входной мощности не всегда бывает удобна. Иногда правильнее говорить не об абсолютном значении мощности на входе., а об удельной мощности входа, то есть о плотности потока энергии, падающего на прибор. Эту величину измеряют не в ваттах, а в ваттах на единицу площади (например, на квадратный сантиметр).

Для многих типов реле характерной величиной является не мощность, а работа (произведение мощности на время), необходимая для срабатывания реле.

Самое маленькое реле, которое можно вообразить, — это единичная молекула. Ее можно перестроить (заставить «сработать») толчком одного-единственного электрона или ударом единичного кванта энергии. Работа, которую совершает электрон, равна произведению его заряда на электрическое напряжение,

которым этот электрон был ускорен. Большинство молекул может быть перестроено толчком электрона, ускоренного до напряжения в единицы вольт, что соответствует кванту видимого света. Есть такие молекулы, которые перестраиваются при ударах квантов с энергией всего лишь в доли электрон-вольта. Это молекулы неустойчивых химических соединений, «срабатывающие» от квантов инфракрасного излучения.

Один электрон-вольт соответствует энергии 10 -19 джоуля (2,4.10 ~20 малой калории). Но реле в виде единичной молекулы — ненадежное реле: оно может сработать от случайных факторов, например от космических лучей, пронизывающих всю вселенную. Для повышения надежности реле необходимо объединить в нем несколько молекул. Чем больше отношение мощности срабатывания к мощности возможных помех, тем более надежной будет работа реле. Самые чувствительные в мире реле — это нервные клетки живых организмов. В результате эволюции выработались клетки из минимального числа наиболее удачного для релейных целей типа молекул. Более чувствительных, довольствующихся еще меньшей мощностью реле в природе не существует. В технике до сих пор не удалось создать реле, которые были бы так миниатюрны, так чувствительны и так же надежно работали, как нервные клетки и, в частности, нервные окончания органов чувств. Человеческие глаз и ухо срабатывают при потоке

энергии, a обычный современный фотоэлемент требует энергетического потока порядка

и лучшие микрофоны работают при потоке энергии

Глаз наиболее чувствителен к желто-зеленому свету (длина волны около 0,55 мк). Этот свет глаз ощущает уже при потоке около 50 квантов в секунду (5.10 18 калории в секунду) —2.10—1; ватт. Такой поток света дает обычная свеча, удаленная от глаза на 200 км.

Одно из замечательнейших свойств «живых реле» — их свойство приспосабливаться к различному уровню входной мощности.

Глаз, например, способен без повреждения воспринять световой поток от лампы в 200 тысяч свечей, помещенной на расстоянии 1 м от него. Это соответствует энергии в 0,01 малой калории в секунду— около 0,05 ватта.

Мы не будем подробно обозревать все расположенные на наших полках приборы. Здесь все время происходит перестановка. Одни усилители и реле устаревают, снимаются с полок, уходят в архив. Другие, расталкивая соседей, занимают лучшие места. Совсем недавно появились на полках

полупроводниковые приборы с чудесными кристаллами германия и кремния.

Быть может, кому-либо из молодых читателей самому доведется в будущем создать новые усилители и реле, которые займут достойное место на полках.

Как превратить реле в усилитель.

Известно, что в реле при плавном изменении управляющего тока напряжение на нагрузке и управляемая мощность изменяются скачком. Это напоминает опрокидывание качелей. Характеристика поляризованного реле — это типичная «релейная» характеристика (слева вверху).

Если в цепь управления подать переменный ток (кривая под характеристикой), то напряжение на нагрузке будет изменяться скачками, оно примет вид положительных и отрицательных импульсов (кривые справа от этой характеристики). Но если подать на реле постоянный (точнее, медленно меняющийся) управляющий ток и вспомогательный переменный ток, то можно преобразовать релейный, скачкообразный режим работы прибора в усилительный, плавный. Релейная характеристика преобразуется в усилительную характеристику (внизу).

Как превратить усилитель (а) в реле.

б) Характеристика электронной лампы — плавная кривая, показывающая зависимость тока нагрузки (анодного тока) от управляющего (сеточного) напряжения.

в) Если включить две электронные лампы по схеме с сильной положительной обратной связью, то эта схема заработает как реле. При плавном изменении управляющего напряжения напряжение на выходе изменится резко, скачком. Это типичная Релейная характеристика (г).