引言
時(shí)間繼電器隸屬低壓電器范疇,如按分類應(yīng)歸入低壓電器機(jī)電式控制電器類,是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的一種機(jī)床電器。就其發(fā)展史可追溯到70年代,由原傳統(tǒng)的電動(dòng)式時(shí)間繼電器或用RC充電電路以及單結(jié)晶體管所完成的延時(shí)觸發(fā)時(shí)間控制電路,至今已發(fā)展到廣泛使用通用的CMOS集成電路以及用專用延時(shí)集成芯片組成的多延時(shí)功能(通電延時(shí)、接通延時(shí)、斷電延時(shí)、斷開(kāi)延時(shí)、往復(fù)延時(shí)、間隔定時(shí)等)、多設(shè)定方式(電位器設(shè)定、數(shù)字撥碼開(kāi)關(guān)、按鍵等)、多時(shí)基選擇(0.01s、1s、1m、1h等)、多工作模式、LED顯示的時(shí)間繼電器。由于其具有延時(shí)精度高、延時(shí)范圍廣、在延時(shí)過(guò)程中延時(shí)顯示直觀等諸多優(yōu)點(diǎn),是傳統(tǒng)時(shí)間繼電器所不能比擬的,故在現(xiàn)今自動(dòng)控制領(lǐng)域里已基本取代傳統(tǒng)的時(shí)間繼電器。
國(guó)內(nèi)雖然時(shí)間控制器起步較晚,但在時(shí)間繼電器領(lǐng)域也有了長(zhǎng)足的發(fā)展,近幾年隨著我國(guó)電子技術(shù)的不斷發(fā)展和國(guó)內(nèi)專用時(shí)間繼電器芯片的大量研發(fā)及應(yīng)用,在很大程度上使國(guó)內(nèi)的時(shí)間繼電器無(wú)論外觀以及產(chǎn)品性能上都有較大的發(fā)展。尤其在專用芯片的基礎(chǔ)上又采用了芯片掩膜技術(shù),將繼電器的核心部分掩膜在印制電路板上,使時(shí)間繼電器從LED數(shù)碼顯示改為L(zhǎng)CD液晶顯示,再加上普遍采用SMD貼片電子元器件,使產(chǎn)品外觀體積更趨小型化,產(chǎn)品性能更加穩(wěn)定,用戶在使用時(shí)可通過(guò)面板外設(shè)的撥碼或功能按鍵進(jìn)行時(shí)間或控制方式的預(yù)置,從具體使用上有些產(chǎn)品基本上可與國(guó)外產(chǎn)品進(jìn)行等同互換。
典型時(shí)間繼電器線路
該延時(shí)電路的核心IC是由14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器/分頻器構(gòu)成,IC內(nèi)部由振蕩器和14級(jí)分頻器組成,振蕩器部分可由電阻Rt和電容Cr構(gòu)成振蕩器,產(chǎn)生固定的振蕩頻率,主振產(chǎn)生的矩形波可進(jìn)入14級(jí)分頻器,并通過(guò)10個(gè)輸出端得到不同的分頻系數(shù)(分頻最小可得到16分頻Q4,最大可得到16384分頻Q14),便可得到所需的定時(shí)控制。待分頻延時(shí)到達(dá)后,輸出端的高電平使驅(qū)動(dòng)電路三極管導(dǎo)通工作,從而使執(zhí)行繼電器工作,相應(yīng)的延時(shí)觸點(diǎn)對(duì)所需外圍線路進(jìn)行定時(shí)控制,IC振蕩也隨輸出的高電平經(jīng)V6使之停振。發(fā)光管V1也隨繼電器同時(shí)工作,起到延時(shí)到達(dá)指示。
圖1 通用CMOS電路構(gòu)成的電路
集成的公共清零端Cr在電路上電的同時(shí)由C4、R3組成的 微分電路上產(chǎn)生瞬間尖脈沖,使計(jì)數(shù)器的輸出端復(fù)位清零,并同時(shí)使振蕩停振。待上電瞬間結(jié)束后,振蕩器開(kāi)始振蕩工作,電路即進(jìn)入分頻延時(shí)工作狀態(tài)。
振蕩頻率f 與RC有以下近似關(guān)系f=1/2.2Rt·Cr(Vdd=10V)。如考慮振蕩器的穩(wěn)定性,減少由于器件參數(shù)的差異而引起的振蕩周期的變化Rs>Rt(Rs=10Rt時(shí),振蕩周期基本上不隨Vdd的變化而變化)為保證振蕩能可靠起振。在選擇Rt與Ct時(shí)應(yīng)注意其條件,Rt>1KΩ,Cr>1000pf,否則很難保證振蕩電路可靠起振。
在實(shí)際使用的時(shí)間繼電器,往往需要控制時(shí)間連續(xù)可調(diào),為保證時(shí)間可調(diào),則振蕩回路Rt可選擇線性較好X型可調(diào)電位器。延時(shí)電容可選擇穩(wěn)定性好的CBB聚丙烯電容,時(shí)間繼電器標(biāo)牌延時(shí)刻度可根據(jù)所選擇的可調(diào)電位器機(jī)械行程的偏轉(zhuǎn)角度來(lái)定,從而使設(shè)定時(shí)間值(標(biāo)牌刻度示值)與實(shí)際延時(shí)值相吻合,以減少設(shè)定誤差。
譬如要設(shè)置10s,可將Rt選擇1MΩ可調(diào)電位器,Ct可選擇104 pF,輸出分頻端從Q10引出,則最大延時(shí)值為11S,因集成是在時(shí)鐘脈沖下降沿的作用下作增量計(jì)數(shù),則最大延時(shí)時(shí)間Tmax=2 n-1 · t= 2 10-1 ·2·2· RtCt= 2 9 ·2·2· 106×104×10-12 =11s。
該專用芯片采用CMOS工藝,具有微功耗,抗干擾能力強(qiáng)(內(nèi)部采用硬件編程),外配石英振蕩器,多種時(shí)基選擇,具有通電延時(shí)和間隔定時(shí)兩種工作模式。4位延時(shí)設(shè)定,具有BCD碼輸出,可配譯碼器LED數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示延時(shí)時(shí)間。具有延時(shí)精度高、顯示直觀、延時(shí)設(shè)定方便等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有逐步替代常規(guī)的CMOS計(jì)時(shí)分頻集成電路的趨勢(shì)。
圖2 時(shí)間專用芯片構(gòu)成的電路
圖3 Y-△電動(dòng)機(jī)控制線路
在專用芯片OSC1、OSC2、OSC3外接晶振以及電阻構(gòu)成并聯(lián)晶體振蕩器產(chǎn)生32768Hz主脈沖,主脈沖分別進(jìn)入芯片內(nèi)置的時(shí)序電路和分頻器時(shí)基選擇電路,使之產(chǎn)生時(shí)序脈沖,并在P1、P2、P3、P4輸出BCD碼,P5產(chǎn)生相應(yīng)的秒脈沖。P5產(chǎn)生的秒脈沖在配相應(yīng)的元器件后可反映時(shí)間繼電器的工作狀態(tài),當(dāng)延時(shí)來(lái)到時(shí),秒脈沖可使線路的LED發(fā)光管處于閃爍狀態(tài),待延時(shí)到達(dá)后,LED為常亮狀態(tài),而在此時(shí),D1、D2、D3、D4產(chǎn)生位置顯示掃描脈沖以及時(shí)基脈沖。
時(shí)間設(shè)置可通過(guò)SA1、SA2、SA3、SA4撥碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行個(gè)、十、百、千的“8、4、2、1”設(shè)定至芯片寄存器中,以備在芯片內(nèi)部比較電路中進(jìn)行比較。K3與K4分別可設(shè)定工作模式和時(shí)基選擇,并將設(shè)定輸入到芯片內(nèi)部工作模式寄存器和時(shí)基寄存器中,在芯片外部配相應(yīng)的電源和7段鎖存譯碼驅(qū)動(dòng)器,則可顯示延時(shí)值。當(dāng)延時(shí)顯示值與撥碼設(shè)定值相吻合后,芯片內(nèi)部所設(shè)定的比較電路工作使芯片OUT輸出高電平來(lái)驅(qū)動(dòng)三極管V1導(dǎo)通,從而使執(zhí)行繼電器吸合工作,延時(shí)觸頭對(duì)外圍線路進(jìn)行控制。
另外,該專用芯片有7種時(shí)基供選擇,分別由D1、D2、D3與P5構(gòu)成相應(yīng)的二進(jìn)制碼來(lái)進(jìn)行設(shè)定。設(shè)定選擇時(shí)基可用符合下述二進(jìn)制碼的特制撥碼開(kāi)關(guān)完成,以方便用戶的時(shí)基選擇。如用戶有特殊需求,片1 GATE還具有累加計(jì)時(shí)功能,在低電平時(shí)分頻器連續(xù)工作,當(dāng)接入高電平時(shí)計(jì)數(shù)器分頻器暫停工作。當(dāng)外接變成低電平后,計(jì)時(shí)顯示又可在原計(jì)時(shí)顯示基礎(chǔ)上累加計(jì)時(shí),從而可實(shí)現(xiàn)累加計(jì)時(shí)功能。圖2中開(kāi)關(guān)K2可實(shí)現(xiàn)此功能。
K3為工作模式選擇,當(dāng)K3接通時(shí),時(shí)間繼電器的工作模式為間隔定時(shí),也就是當(dāng)時(shí)間繼電器接通工作電源后,芯片OUT輸出端先輸出高電平,致使內(nèi)部執(zhí)行繼電器工作,待所設(shè)定的延時(shí)到達(dá)后OUT無(wú)高電平輸出,執(zhí)行繼電器釋放;如K3不接通,時(shí)間繼電器為常規(guī)的通電延時(shí)型,工作狀態(tài)與間隔定時(shí)相反。
總之,針對(duì)時(shí)間繼電器的工作特點(diǎn)而研制的時(shí)間專用芯片有其多時(shí)基選擇、時(shí)間預(yù)置方便、顯示直觀、時(shí)間整定誤差小等優(yōu)點(diǎn),是常規(guī)的CMOS計(jì)數(shù)分頻集成電路無(wú)法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
典型應(yīng)用控制線路分析
在常規(guī)Y-△的電動(dòng)機(jī)控制線路(圖3)中,時(shí)間繼電器的延時(shí)控制使電機(jī)在Y形啟動(dòng)切換至△形運(yùn)行起到有效的控制。
按下Y-△控制回路啟動(dòng)按鈕SB2,時(shí)間繼電器KT得電,在得電的同時(shí)KT的瞬動(dòng)觸點(diǎn)對(duì)SB2形成自鎖,KM3接觸器線圈得電,KM3主觸頭閉合,其常開(kāi)輔助觸頭閉合,主回路KM1接觸器得電,主回路接通;KM3常閉輔助觸頭斷開(kāi),確保接觸器KM3工作時(shí),KM2不能投入工作,此時(shí)電動(dòng)機(jī)處于Y形啟動(dòng)狀態(tài)。
當(dāng)時(shí)間繼電器KT延時(shí)到達(dá)后(KT的時(shí)間設(shè)置可根據(jù)所控制Y-△啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率來(lái)設(shè)定)。時(shí)間繼電器的延時(shí)常開(kāi)和延時(shí)常閉觸頭轉(zhuǎn)換,致使交流接觸器KM3線圈失電,主觸頭斷開(kāi),交流接觸器KM2得電,其輔助觸頭對(duì)KM1、KT觸點(diǎn)進(jìn)行自鎖,保證交流接觸器KM2吸合工作,使電機(jī)在△形運(yùn)行。
時(shí)間繼電器電磁兼容性
時(shí)間繼電器作為自動(dòng)控制器件應(yīng)用較廣泛,尤其是在涉及低壓電器控制網(wǎng)絡(luò)中有較多電器設(shè)備環(huán)境中使用時(shí)電磁干擾問(wèn)題更趨于嚴(yán)重。組成時(shí)間繼電器的內(nèi)部元器件的損壞這時(shí)已不是引起時(shí)間繼電器故障(失效)的主要原因,而在于應(yīng)用場(chǎng)合中的各種干擾通過(guò)電磁耦合、電容耦合直接進(jìn)入時(shí)間繼電器,干擾其正常的延時(shí)控制。時(shí)間繼電器在此干擾環(huán)境下能否正常工作往往會(huì)影響到整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的正常邏輯功能,甚至還可能造成大的質(zhì)量事故和經(jīng)濟(jì)損失。所以時(shí)間繼電器在各種惡劣環(huán)境都應(yīng)有較高的可靠性和抗干擾能力,也就是說(shuō)時(shí)間繼電器必須有良好的電磁兼容性能,只有這樣才能完善其產(chǎn)品質(zhì)量,提高自身的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
在實(shí)際工作使用中,一般采用下述方法來(lái)進(jìn)行抑制電磁干擾,提高其產(chǎn)品的抗干擾能力。采用隔離變壓器,選擇合適的壓敏電阻,在供電輸出口加高頻旁路電容等方法提高產(chǎn)品的抗干擾能力。
當(dāng)執(zhí)行繼電器的繞組(感性負(fù)載)被接通和斷開(kāi)時(shí)。線圈中會(huì)產(chǎn)生一連串上升速度快,頻率和幅度都相當(dāng)高的尖峰脈沖電磁振蕩輻射,對(duì)直流繼電器繞組通常采用以下方法來(lái)減少干擾：在線圈兩端反并二極管或RC器件,如控制觸點(diǎn)對(duì)交流感性負(fù)載的控制,也可考慮在觸點(diǎn)并接RC 器件,從而能對(duì)觸點(diǎn)在通斷時(shí)產(chǎn)生的干擾進(jìn)行有效的吸收。
屏蔽能有效地抑制通過(guò)空間傳播的電磁干擾,一則可限制內(nèi)部產(chǎn)生的電磁能輻射出去;二則可防止外來(lái) 輻射進(jìn)入,在對(duì)內(nèi)部電子線路采用整體屏蔽措施,也可對(duì)內(nèi)部信號(hào)線采用屏蔽線,增強(qiáng)其抗干擾能力。
結(jié)語(yǔ)
時(shí)間繼電器的發(fā)展,由最早的分離器件來(lái)完成的延時(shí),現(xiàn)在已有專用的CMOS時(shí)間繼電器芯片來(lái)替代,無(wú)論從時(shí)間精度,延時(shí)方式都有了較大的發(fā)展,尤其近幾年可編程控制器(PLC)以其通用性強(qiáng)、靈活性好、硬件配套齊全、編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)及可靠性高,廣泛地應(yīng)用自動(dòng)時(shí)間控制領(lǐng)域,而這種PLC的使用對(duì)現(xiàn)有時(shí)間繼電器市場(chǎng)已占有了相應(yīng)的市場(chǎng)份額,而這種趨勢(shì)還有逐步擴(kuò)大的勢(shì)態(tài),可能在不久的將來(lái),PLC會(huì)在自動(dòng)控制領(lǐng)域中起到更重要的作用。