斷電延時型時間繼電器的研究與設(shè)計

引言

時間繼電器是一種延時功能由電子線路來實現(xiàn)的控制器。根據(jù)控制場合可選擇使用如：通電延時型A;斷電延時型F;星三角延時型Y;帶瞬動輸出的通電延時型C;間隔延時型G;往復(fù)延時型R;斷開延時信號型K等規(guī)格以滿足所需控制場合。在上述延時類型應(yīng)用中，在許多場合都需要用斷電延時型繼電器進(jìn)行控制。例如需要控制一臺電機，要求在按下停止按鈕需要延時一段時間后，電機再重新啟動工作，則就需用到斷電延時繼電器來實現(xiàn)以上功能。所謂斷電延時繼電器，是當(dāng)時間繼電器線圈通電時，各延時觸頭瞬時動作，而線圈斷電以后觸頭呈延時置位工作狀態(tài)，當(dāng)所設(shè)延時到達(dá)后，延時觸頭又恢復(fù)為初始狀態(tài)。斷電延時型因其工作狀態(tài)(在延時過程中不需外接工作電源)以及控制觸點在斷電延時過程中吸合觸點(常開觸點變?yōu)榻油顟B(tài)應(yīng)保持接通狀態(tài);常閉觸點變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，應(yīng)呈保持?jǐn)嚅_狀態(tài))轉(zhuǎn)換特殊性(與常規(guī)通電延時型時間繼電器觸點工作狀態(tài)正好相反)來滿足其控制要求。斷電延時型時間繼電器由最早分離器件構(gòu)成(延時精度低、延時時間短);現(xiàn)用相應(yīng)可編程定時集成電路或CMOS計數(shù)分頻集成來完成延時，與之相比，具有延時精度高，延時時間長的特點。以此滿足斷電長延時的控制場合。

　　典型電路

斷電延時繼電器整體構(gòu)成包括斷電延時繼電器電源部分(經(jīng)降壓、整流、濾波)以提供斷電延時繼電器內(nèi)置瞬動電磁繼電器和2繞組閉鎖型R復(fù)位線圈工作);二次電源部分(供斷電后延時部分與2繞組閉鎖型S置位線圈工作);延時工作部分(可編程定時集成或CMOS計數(shù)分頻集成);驅(qū)動部分;執(zhí)行繼電器部分組成(圖1)。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 控制框圖

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 分立器件原理圖

由V2 P溝道場效應(yīng)管、V3、V4三極管以及繼電器為主要器件構(gòu)成的斷電延時型繼電器示于圖2。如下：端加入工作電源后，C1~C5都按其回路完成充電過程(充電時間應(yīng)參照產(chǎn)品規(guī)定的時間)。同時內(nèi)部2繞組閉鎖繼電器R復(fù)位線圈得電工作(虛框內(nèi)轉(zhuǎn)換觸點4與6由電源接通轉(zhuǎn)為斷開狀態(tài)，4與8接通)，相應(yīng)外部觸點進(jìn)行轉(zhuǎn)換端接通，呈延時工作狀態(tài))。

端工作電源呈斷電時，則相應(yīng)繼電器進(jìn)入延時工作狀態(tài)。對V2 P溝道場效應(yīng)管而言，隨著C4經(jīng)R6、RP2的放電，致使其源極S電壓不斷降低(在通電狀態(tài)時，因UGS較小，ID為零，V2為截止工作狀態(tài))，根據(jù)場效應(yīng)管相應(yīng)轉(zhuǎn)移特性(漏極電流ID與柵源電壓VGS間的關(guān)系曲線)當(dāng)VGS電壓達(dá)到VGS(Th)(開啟電壓)時，V2導(dǎo)通。隨著V2導(dǎo)通，則漏電流ID經(jīng)R4產(chǎn)生相應(yīng)電壓降，使V3三極管導(dǎo)通工作，最終致使V4也導(dǎo)通。當(dāng)V4導(dǎo)通后，C5電容器上的儲能將使2繞組閉鎖繼電器置位線圈通電工作，使延時觸點又恢復(fù)原始狀態(tài)，從而完成了斷電延時工作。

該電路的缺點是延時參數(shù)不易于設(shè)定，通常要對RP2調(diào)整(控制C4放電回路)、RP1調(diào)整(確定V2柵極電壓)，并對C4、C3電容容量參數(shù)進(jìn)行計算，再加上器件的離散性使延時誤差較大，調(diào)整也不方便，現(xiàn)在基本上很少使用。

集成CD4060構(gòu)成的延時電路示于圖3。該電路核心延時由CD4060構(gòu)成，延時設(shè)定由RP1與配置的C3來設(shè)定。內(nèi)部2繞組閉鎖繼電器采用DC24V(采用較高工作電壓的繼電器，可降低其驅(qū)動電流，使驅(qū)動部分較為簡單)。端加入工作電源，V1三極管工作，使其R復(fù)位線圈吸合工作，內(nèi)部觸點回至原始狀態(tài)。C2、C4完成充電工作。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 CD4060集成原理圖

端工作電源斷電時，則進(jìn)入相應(yīng)的斷電延時工作狀態(tài)。IC○12引腳因C1放電在R3產(chǎn)生一個電平經(jīng)R4加至○12引腳清零引腳清零，使其延時開始，延時時間經(jīng)Q4~Q14(根據(jù)需求延時時間)來驅(qū)動V2工作，待延時到達(dá)后經(jīng)VD7使其振蕩停止。根據(jù)延時情況，對C2電容可進(jìn)行相應(yīng)的增大或減小(通過并聯(lián)來完成C2的容量的增大或減小)C4電容來完成S置位線圈的工作。

該線路特點是延時設(shè)定方便，延時精度高，產(chǎn)品調(diào)整簡便，目前使用較為廣泛。

集成IC4541構(gòu)成的延時電路示于圖4。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4 IC4541集成原理圖

該電路核心部分由IC4541構(gòu)成，延時設(shè)定由RP2、C*設(shè)定，A-B端根據(jù)需求接相應(yīng)高、低電平(設(shè)定端)內(nèi)部2繞組閉鎖繼電器采用DC12V(因繼電器工作電壓與IC4060組成延時電器要低，則為保證其驅(qū)動則分別由V6、V7、V1、V3構(gòu)成)。其中C2為二次儲能器件，可根據(jù)延時的長短予以調(diào)整，C4為完成S置位線圈工作。

總之采用由相應(yīng)集成電路來完成延時的斷電延時繼電器，通常在選擇集成上應(yīng)考慮功耗低，閉鎖繼電器選擇工作電壓較高的繼電器，從而使繼電器在斷電延時過程中的電能耗最小，以保證延時精確并可靠的工作。

工作時序圖(圖5)中延時t為在工作電源斷開后，延時分?jǐn)嘤|點延時時間;如在延時過程中加入復(fù)位信號，則延時結(jié)束。

　　使用器件

因斷電延時繼電器控制觸電觸點轉(zhuǎn)換要求，通常采用雙穩(wěn)態(tài)極化電磁繼電器(又稱為2繞組閉鎖型繼電器)來完成和滿足其觸點轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部線圈以及觸點見圖 所示。該繼電器內(nèi)部擁有置位線圈S和復(fù)位線圈R，是一種可以保持置位狀態(tài)或復(fù)位狀態(tài)的閉鎖結(jié)構(gòu)繼電器。當(dāng)置位線圈S中有電流流過時，由內(nèi)部鐵芯、磁體、銜鐵組成線圈和工作氣隙組成磁路內(nèi)產(chǎn)生磁通，并在工作氣隙內(nèi)建立起磁場，產(chǎn)生電磁吸力，吸引銜鐵。在線圈中的電流達(dá)到一定值(即動作值)時，產(chǎn)生的電磁吸力足以克服磁體吸力和接觸簧片產(chǎn)生的阻力時，驅(qū)動銜鐵組動作，銜鐵組兩端推動卡推動接觸簧片，使動合觸點組閉合和動斷觸點組斷開，從而完成觸點轉(zhuǎn)換，并保持置位狀態(tài)。當(dāng)斷電延時結(jié)束后，此時復(fù)位線圈R有電流流過(置位線圈已無電流)，工作狀態(tài)于置位線圈工作相同，在最終使閉合的動合觸點斷開、斷開的動斷觸點又重新閉合。在此使用時應(yīng)注意置位線圈S與復(fù)位線圈R的極性。

鑒于斷電延時繼電器的應(yīng)用場合，通常在選用內(nèi)部閉鎖型繼電器時，應(yīng)參考下列條件為選擇標(biāo)準(zhǔn)：功耗低、靈敏度高、大負(fù)載、高絕緣耐壓、耐振動與沖擊;只有如此才能保證斷電延時工作可靠。尤其在耐震動和抗沖擊方面，因其自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)特殊性，所以與之相配套的斷電延時型繼電器在安裝使用時，應(yīng)注意其方面，以避免閉鎖型繼電器觸點因振動或沖擊造成觸點誤轉(zhuǎn)換。

在繼電器工作電壓選擇上，如同功耗的繼電器，原則上選擇線圈的工作電壓較高的電磁繼電器，這樣可以減小加至置位線圈S和復(fù)位線圈R電流動作值，從而保證了電磁繼電器在延時后加至復(fù)位線圈的動作電流滿足其額定所需動作值，也充分保證了觸點工作的可靠轉(zhuǎn)換。

在有些斷電延時時間繼電器中，內(nèi)部執(zhí)行繼電器也有采用1繞組閉鎖型繼電器，該繼電器擁有一個線圈(S、R)并用)，是一種可根據(jù)外加電壓極性切換并保持置位或復(fù)位狀態(tài)的閉鎖繼電器。但因自身工作線圈外加電壓極性必須切換，則使控制線路較為復(fù)雜，目前基本上很少使用。通常采用2繞組閉鎖型繼電器，使內(nèi)部控制線路簡單，且工作可靠。

　　控制線路分析

用于電機制動電路示于圖7。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖7 電機控制電路

正常起動過程：按起動按鈕SB2→KM1通電，主觸點KM1閉合，電機工作，KM1輔助常開觸點自鎖，KM1輔助常閉觸點斷開;KT通電，KT常開延時打開觸頭閉合，KM2斷電。

制動過程：按下停止按鈕SB1→KM1斷電，KM1主觸點斷開，電機脫離電源，KM1輔助常閉觸點恢復(fù)閉合，KM2通電，接入直流電源，制動開始，同時KM1輔助常開觸點又恢復(fù)斷開，則KT線圈呈斷電狀態(tài)，延時開始，待所設(shè)延時時間到達(dá)后，KT的延時斷開常開觸點恢復(fù)斷開，KM2失電，切斷直流電源，制動結(jié)束。

在時間繼電器控制線路中，應(yīng)對其工作電源以及涉及觸頭在相應(yīng)控制線路中應(yīng)規(guī)范化，以便于更好的反映其在工作中的使用。

　　使用注意事項

·繼電器電源電壓應(yīng)在允許電壓波動范圍內(nèi)工作，通常為額定值85%~110%;直流電壓峰值紋波系數(shù)不大于5%。如繼電器工作電源有強的感性負(fù)載頻繁工作，則應(yīng)考慮在繼電器工作電源端增加和使用浪涌吸收裝置，以承受較高的(1500V)的浪涌電壓，防止繼電器電源擊穿燒毀。

·繼電器在使用時，電源接通時間必須大于1s，以便使繼電器內(nèi)部二次電源有充足的能量儲備而保證在斷開電源后按預(yù)設(shè)時間接通或分?jǐn)嘭?fù)載;如需使用繼電器外部復(fù)位信號功能，則接通持續(xù)時間不小于50ms，以保證其復(fù)位功能正常工作，嚴(yán)禁在復(fù)位信號端接入電源、有源信號或接地，否則會損壞繼電器。

·繼電器電源回路一般情況下是高阻抗的，因此在具體使用上應(yīng)保證切斷電源后漏電流要盡可能小，以免產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電壓而呈假關(guān)斷引起誤動作(斷電延時后延時時間到但繼電器出現(xiàn)不釋放的現(xiàn)象)。為避免上述情況發(fā)生，對斷電延時型電源端殘留電壓應(yīng)小于額定電壓的7%，而通電延時型所允許的殘留電壓小于額定電壓的20%。

·斷電延時繼電器因內(nèi)部采用2繞組閉鎖繼電器，該繼電器與通常繼電器相比較而言，適應(yīng)環(huán)境能力較差，尤其在強磁場、高沖擊振動場所對其影響更為突出，所以在使用時應(yīng)盡可能避免在上述環(huán)境中使用。

·在控制負(fù)載上，不要用其直接控制大容量負(fù)載(內(nèi)部所用2繞組閉鎖繼電器通常負(fù)載能力不強)應(yīng)在額定允許情況下使用，并考慮負(fù)載形式和留有相應(yīng)的裕量。

·繼電器在使用環(huán)境、安裝形式、溫度、濕度、污染等級等方面要求應(yīng)按繼電器所規(guī)定的要求下工作。

　　結(jié)語

隨著時間繼電器在自動控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，不僅常規(guī)的通電延時時間繼電器使用越來越多，而且斷電延時型繼電器也頻繁在特定的場合得以應(yīng)用，以此滿足控制之需。所以具有延時精密高、斷電延時長、可控制較大負(fù)載、抗干擾能力強等特點的斷電延時型繼電器定會在自動控制領(lǐng)域中起到更為重要的作用。