引言
時間繼電器隸屬低壓電器范疇,如按分類應歸入低壓電器機電式控制電器類,是自動控制系統中常用的一種機床電器。就其發展史可追溯到70年代,由原傳統的電動式時間繼電器或用RC充電電路以及單結晶體管所完成的延時觸發時間控制電路,至今已發展到廣泛使用通用的CMOS集成電路以及用專用延時集成芯片組成的多延時功能(通電延時、接通延時、斷電延時、斷開延時、往復延時、間隔定時等)、多設定方式(電位器設定、數字撥碼開關、按鍵等)、多時基選擇(0.01s、1s、1m、1h等)、多工作模式、LED顯示的時間繼電器。由于其具有延時精度高、延時范圍廣、在延時過程中延時顯示直觀等諸多優點,是傳統時間繼電器所不能比擬的,故在現今自動控制領域里已基本取代傳統的時間繼電器。
國內雖然時間控制器起步較晚,但在時間繼電器領域也有了長足的發展,近幾年隨著我國電子技術的不斷發展和國內專用時間繼電器芯片的大量研發及應用,在很大程度上使國內的時間繼電器無論外觀以及產品性能上都有較大的發展。尤其在專用芯片的基礎上又采用了芯片掩膜技術,將繼電器的核心部分掩膜在印制電路板上,使時間繼電器從LED數碼顯示改為LCD液晶顯示,再加上普遍采用SMD貼片電子元器件,使產品外觀體積更趨小型化,產品性能更加穩定,用戶在使用時可通過面板外設的撥碼或功能按鍵進行時間或控制方式的預置,從具體使用上有些產品基本上可與國外產品進行等同互換。
典型時間繼電器線路
該延時電路的核心IC是由14位二進制串行計數器/分頻器構成,IC內部由振蕩器和14級分頻器組成,振蕩器部分可由電阻Rt和電容Cr構成振蕩器,產生固定的振蕩頻率,主振產生的矩形波可進入14級分頻器,并通過10個輸出端得到不同的分頻系數(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控制。待分頻延時到達后,輸出端的高電平使驅動電路三極管導通工作,從而使執行繼電器工作,相應的延時觸點對所需外圍線路進行定時控制,IC振蕩也隨輸出的高電平經V6使之停振。發光管V1也隨繼電器同時工作,起到延時到達指示。
圖1 通用CMOS電路構成的電路
集成的公共清零端Cr在電路上電的同時由C4、R3組成的 微分電路上產生瞬間尖脈沖,使計數器的輸出端復位清零,并同時使振蕩停振。待上電瞬間結束后,振蕩器開始振蕩工作,電路即進入分頻延時工作狀態。
振蕩頻率f 與RC有以下近似關系f=1/2.2Rt·Cr(Vdd=10V)。如考慮振蕩器的穩定性,減少由于器件參數的差異而引起的振蕩周期的變化Rs>Rt(Rs=10Rt時,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時應注意其條件,Rt>1KΩ,Cr>1000pf,否則很難保證振蕩電路可靠起振。
在實際使用的時間繼電器,往往需要控制時間連續可調,為保證時間可調,則振蕩回路Rt可選擇線性較好X型可調電位器。延時電容可選擇穩定性好的CBB聚丙烯電容,時間繼電器標牌延時刻度可根據所選擇的可調電位器機械行程的偏轉角度來定,從而使設定時間值(標牌刻度示值)與實際延時值相吻合,以減少設定誤差。
譬如要設置10s,可將Rt選擇1MΩ可調電位器,Ct可選擇104 pF,輸出分頻端從Q10引出,則最大延時值為11S,因集成是在時鐘脈沖下降沿的作用下作增量計數,則最大延時時間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(內部采用硬件編程),外配石英振蕩器,多種時基選擇,具有通電延時和間隔定時兩種工作模式。4位延時設定,具有BCD碼輸出,可配譯碼器LED數碼管驅動顯示延時時間。具有延時精度高、顯示直觀、延時設定方便等優點。現有逐步替代常規的CMOS計時分頻集成電路的趨勢。
圖2 時間專用芯片構成的電路
圖3 Y-△電動機控制線路
在專用芯片OSC1、OSC2、OSC3外接晶振以及電阻構成并聯晶體振蕩器產生32768Hz主脈沖,主脈沖分別進入芯片內置的時序電路和分頻器時基選擇電路,使之產生時序脈沖,并在P1、P2、P3、P4輸出BCD碼,P5產生相應的秒脈沖。P5產生的秒脈沖在配相應的元器件后可反映時間繼電器的工作狀態,當延時來到時,秒脈沖可使線路的LED發光管處于閃爍狀態,待延時到達后,LED為常亮狀態,而在此時,D1、D2、D3、D4產生位置顯示掃描脈沖以及時基脈沖。
時間設置可通過SA1、SA2、SA3、SA4撥碼開關進行個、十、百、千的“8、4、2、1”設定至芯片寄存器中,以備在芯片內部比較電路中進行比較。K3與K4分別可設定工作模式和時基選擇,并將設定輸入到芯片內部工作模式寄存器和時基寄存器中,在芯片外部配相應的電源和7段鎖存譯碼驅動器,則可顯示延時值。當延時顯示值與撥碼設定值相吻合后,芯片內部所設定的比較電路工作使芯片OUT輸出高電平來驅動三極管V1導通,從而使執行繼電器吸合工作,延時觸頭對外圍線路進行控制。
另外,該專用芯片有7種時基供選擇,分別由D1、D2、D3與P5構成相應的二進制碼來進行設定。設定選擇時基可用符合下述二進制碼的特制撥碼開關完成,以方便用戶的時基選擇。如用戶有特殊需求,片1 GATE還具有累加計時功能,在低電平時分頻器連續工作,當接入高電平時計數器分頻器暫停工作。當外接變成低電平后,計時顯示又可在原計時顯示基礎上累加計時,從而可實現累加計時功能。圖2中開關K2可實現此功能。
K3為工作模式選擇,當K3接通時,時間繼電器的工作模式為間隔定時,也就是當時間繼電器接通工作電源后,芯片OUT輸出端先輸出高電平,致使內部執行繼電器工作,待所設定的延時到達后OUT無高電平輸出,執行繼電器釋放;如K3不接通,時間繼電器為常規的通電延時型,工作狀態與間隔定時相反。
總之,針對時間繼電器的工作特點而研制的時間專用芯片有其多時基選擇、時間預置方便、顯示直觀、時間整定誤差小等優點,是常規的CMOS計數分頻集成電路無法來實現的。
典型應用控制線路分析
在常規Y-△的電動機控制線路(圖3)中,時間繼電器的延時控制使電機在Y形啟動切換至△形運行起到有效的控制。
按下Y-△控制回路啟動按鈕SB2,時間繼電器KT得電,在得電的同時KT的瞬動觸點對SB2形成自鎖,KM3接觸器線圈得電,KM3主觸頭閉合,其常開輔助觸頭閉合,主回路KM1接觸器得電,主回路接通;KM3常閉輔助觸頭斷開,確保接觸器KM3工作時,KM2不能投入工作,此時電動機處于Y形啟動狀態。
當時間繼電器KT延時到達后(KT的時間設置可根據所控制Y-△啟動電動機的功率來設定)。時間繼電器的延時常開和延時常閉觸頭轉換,致使交流接觸器KM3線圈失電,主觸頭斷開,交流接觸器KM2得電,其輔助觸頭對KM1、KT觸點進行自鎖,保證交流接觸器KM2吸合工作,使電機在△形運行。
時間繼電器電磁兼容性
時間繼電器作為自動控制器件應用較廣泛,尤其是在涉及低壓電器控制網絡中有較多電器設備環境中使用時電磁干擾問題更趨于嚴重。組成時間繼電器的內部元器件的損壞這時已不是引起時間繼電器故障(失效)的主要原因,而在于應用場合中的各種干擾通過電磁耦合、電容耦合直接進入時間繼電器,干擾其正常的延時控制。時間繼電器在此干擾環境下能否正常工作往往會影響到整個自動控制系統的正常邏輯功能,甚至還可能造成大的質量事故和經濟損失。所以時間繼電器在各種惡劣環境都應有較高的可靠性和抗干擾能力,也就是說時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品質量,提高自身的市場競爭能力。
在實際工作使用中,一般采用下述方法來進行抑制電磁干擾,提高其產品的抗干擾能力。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品的抗干擾能力。
當執行繼電器的繞組(感性負載)被接通和斷開時。線圈中會產生一連串上升速度快,頻率和幅度都相當高的尖峰脈沖電磁振蕩輻射,對直流繼電器繞組通常采用以下方法來減少干擾：在線圈兩端反并二極管或RC器件,如控制觸點對交流感性負載的控制,也可考慮在觸點并接RC 器件,從而能對觸點在通斷時產生的干擾進行有效的吸收。
屏蔽能有效地抑制通過空間傳播的電磁干擾,一則可限制內部產生的電磁能輻射出去;二則可防止外來 輻射進入,在對內部電子線路采用整體屏蔽措施,也可對內部信號線采用屏蔽線,增強其抗干擾能力。
結語
時間繼電器的發展,由最早的分離器件來完成的延時,現在已有專用的CMOS時間繼電器芯片來替代,無論從時間精度,延時方式都有了較大的發展,尤其近幾年可編程控制器(PLC)以其通用性強、靈活性好、硬件配套齊全、編程方法簡單易學及可靠性高,廣泛地應用自動時間控制領域,而這種PLC的使用對現有時間繼電器市場已占有了相應的市場份額,而這種趨勢還有逐步擴大的勢態,可能在不久的將來,PLC會在自動控制領域中起到更重要的作用。