斷電延時(shí)型時(shí)間繼電器的研究與設(shè)計(jì)

引言

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

　　典型電路

斷電延時(shí)繼電器整體構(gòu)成包括斷電延時(shí)繼電器電源部分(經(jīng)降壓、整流、濾波)以提供斷電延時(shí)繼電器內(nèi)置瞬動(dòng)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(shí)部分與2繞組閉鎖型S置位線圈工作);延時(shí)工作部分(可編程定時(shí)集成或CMOS計(jì)數(shù)分頻集成);驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)間應(yīng)參照產(chǎn)品規(guī)定的時(shí)間)。同時(shí)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(diǎn)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(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換端接通，呈延時(shí)工作狀態(tài))。

端工作電源呈斷電時(shí)，則相應(yīng)繼電器進(jìn)入延時(shí)工作狀態(tài)。對(duì)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(shí)，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(shí)，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(chǔ)能將使2繞組閉鎖繼電器置位線圈通電工作，使延時(shí)觸點(diǎn)又恢復(fù)原始狀態(tài)，從而完成了斷電延時(shí)工作。

該電路的缺點(diǎn)是延時(shí)參數(shù)不易于設(shè)定，通常要對(duì)RP2調(diào)整(控制C4放電回路)、RP1調(diào)整(確定V2柵極電壓)，并對(duì)C4、C3電容容量參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，再加上器件的離散性使延時(shí)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(shí)電路示于圖3。該電路核心延時(shí)由CD4060構(gòu)成，延時(shí)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(dòng)電流，使驅(qū)動(dòng)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(diǎn)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(shí)，則進(jìn)入相應(yīng)的斷電延時(shí)工作狀態(tài)。IC○12引腳因C1放電在R3產(chǎn)生一個(gè)電平經(jīng)R4加至○12引腳清零引腳清零，使其延時(shí)開始，延時(shí)時(shí)間經(jīng)Q4~Q14(根據(jù)需求延時(shí)時(shí)間)來驅(qū)動(dòng)V2工作，待延時(shí)到達(dá)后經(jīng)VD7使其振蕩停止。根據(jù)延時(shí)情況，對(duì)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(diǎn)是延時(shí)設(shè)定方便，延時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)電器要低，則為保證其驅(qū)動(dòng)則分別由V6、V7、V1、V3構(gòu)成)。其中C2為二次儲(chǔ)能器件，可根據(jù)延時(shí)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(shí)的斷電延時(shí)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(shí)過程中的電能耗最小，以保證延時(shí)精確并可靠的工作。

工作時(shí)序圖(圖5)中延時(shí)t為在工作電源斷開后，延時(shí)分?jǐn)嘤|點(diǎn)延時(shí)時(shí)間;如在延時(shí)過程中加入復(fù)位信號(hào)，則延時(shí)結(jié)束。

　　使用器件

因斷電延時(shí)繼電器控制觸電觸點(diǎn)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(diǎn)轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部線圈以及觸點(diǎn)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(shí)，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(dòng)作值)時(shí)，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(shí)，驅(qū)動(dòng)銜鐵組動(dòng)作，銜鐵組兩端推動(dòng)卡推動(dòng)接觸簧片，使動(dòng)合觸點(diǎn)組閉合和動(dòng)斷觸點(diǎn)組斷開，從而完成觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換，并保持置位狀態(tài)。當(dāng)斷電延時(shí)結(jié)束后，此時(shí)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(dòng)合觸點(diǎn)斷開、斷開的動(dòng)斷觸點(diǎn)又重新閉合。在此使用時(shí)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(shí)繼電器的應(yīng)用場合，通常在選用內(nèi)部閉鎖型繼電器時(shí)，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(dòng)與沖擊;只有如此才能保證斷電延時(shí)工作可靠。尤其在耐震動(dòng)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(shí)型繼電器在安裝使用時(shí)，應(yīng)注意其方面，以避免閉鎖型繼電器觸點(diǎn)因振動(dòng)或沖擊造成觸點(diǎn)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(dòng)作值，從而保證了電磁繼電器在延時(shí)后加至復(fù)位線圈的動(dòng)作電流滿足其額定所需動(dòng)作值，也充分保證了觸點(diǎn)工作的可靠轉(zhuǎn)換。

在有些斷電延時(shí)時(shí)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(gè)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(jī)制動(dòng)電路示于圖7。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖7 電機(jī)控制電路

正常起動(dòng)過程：按起動(dòng)按鈕SB2→KM1通電，主觸點(diǎn)KM1閉合，電機(jī)工作，KM1輔助常開觸點(diǎn)自鎖，KM1輔助常閉觸點(diǎn)斷開;KT通電，KT常開延時(shí)打開觸頭閉合，KM2斷電。

制動(dòng)過程：按下停止按鈕SB1→KM1斷電，KM1主觸點(diǎn)斷開，電機(jī)脫離電源，KM1輔助常閉觸點(diǎn)恢復(fù)閉合，KM2通電，接入直流電源，制動(dòng)開始，同時(shí)KM1輔助常開觸點(diǎn)又恢復(fù)斷開，則KT線圈呈斷電狀態(tài)，延時(shí)開始，待所設(shè)延時(shí)時(shí)間到達(dá)后，KT的延時(shí)斷開常開觸點(diǎn)恢復(fù)斷開，KM2失電，切斷直流電源，制動(dòng)結(jié)束。

在時(shí)間繼電器控制線路中，應(yīng)對(duì)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(xiàng)

·繼電器電源電壓應(yīng)在允許電壓波動(dòng)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(qiáng)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(shí)，電源接通時(shí)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(chǔ)備而保證在斷開電源后按預(yù)設(shè)時(shí)間接通或分?jǐn)嘭?fù)載;如需使用繼電器外部復(fù)位信號(hào)功能，則接通持續(xù)時(shí)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(hào)端接入電源、有源信號(hào)或接地，否則會(huì)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(dòng)作(斷電延時(shí)后延時(shí)時(shí)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(duì)斷電延時(shí)型電源端殘留電壓應(yīng)小于額定電壓的7%，而通電延時(shí)型所允許的殘留電壓小于額定電壓的20%。

·斷電延時(shí)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(qiáng)磁場、高沖擊振動(dòng)場所對(duì)其影響更為突出，所以在使用時(shí)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(qiáng))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(jí)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(shí)間繼電器在自動(dòng)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，不僅常規(guī)的通電延時(shí)時(shí)間繼電器使用越來越多，而且斷電延時(shí)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(shí)精密高、斷電延時(shí)長、可控制較大負(fù)載、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)的斷電延時(shí)型繼電器定會(huì)在自動(dòng)控制領(lǐng)域中起到更為重要的作用。