時(shí)間繼電器在自控中的應(yīng)用

1.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)今自動控制領(lǐng)域里已基本取代傳統(tǒng)的時(shí)間繼電器。
    國內(nèi)雖然時(shí)間控制器起步較晚，但在時(shí)間繼電器領(lǐng)域也有了長足的發(fā)展，近幾年隨著我國電子技術(shù)的不斷發(fā)展和國內(nèi)時(shí)間繼電器芯片的大量研發(fā)及應(yīng)用，在很大程度上使國內(nèi)的時(shí)間繼電器無論外觀以及產(chǎn)品性能上都有較大的發(fā)展。尤其在芯片的基礎(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LCD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)品基本上可與國外產(chǎn)品進(jìn)行等同互換。
    綜上所述，時(shí)間繼電器是一種其延時(shí)功能由電子線路來實(shí)現(xiàn)的控制器。可廣泛適用于自控電路中作時(shí)間控制及指示用。

2.典型時(shí)間繼電器線路

原理分析:
    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級分頻器，并通過10個(gè)輸出端得到不同的分頻系數(shù)（分頻zui小可得到16分頻Q4，zui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。
    集成的公共清零端Cr（12腳）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，振蕩器開始振蕩工作，電路即進(jìn)入分頻延時(shí)工作狀態(tài)。
振蕩器參數(shù)設(shè)置
    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，以減少整定誤差。
    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15腳Q10引出，則zui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zui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。
     當(dāng)4060集成振蕩器部分也可配晶振，使之構(gòu)成典型的晶體振蕩器，在此就不多加贅述。
     該芯片采用CMOS工藝，具有微功耗，抗*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。四位延時(shí)整定，具有BCD碼輸出，可配譯碼器LED數(shù)碼管驅(qū)動顯示延時(shí)時(shí)間。具有延時(shí)精度高、顯示直觀、延時(shí)整定方便等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)有逐步替代常規(guī)的 CMOS計(jì)時(shí)分頻集成電路的趨勢。
    在芯片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SA1、SA2、SA3、SA4撥碼開關(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12端OUT輸出高電平來驅(qū)動三極管V1導(dǎo)通，從而使執(zhí)行繼電器吸合工作，延時(shí)觸頭對外圍線路進(jìn)行控制。
    另外，該芯片有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腳GATE還具有累加計(jì)時(shí)功能，1腳在低電平時(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2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。在工作原理圖中開關(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，針對時(shí)間繼電器的工作特點(diǎn)而研制的時(shí)間芯片有其多時(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)分頻集成電路無法來實(shí)現(xiàn)的。

3.典型應(yīng)用控制線路分析
    在常規(guī)Y-△的電動機(jī)控制線路中，時(shí)間繼電器的延時(shí)控制使電機(jī)在Y形啟動切換至△形運(yùn)行起到有效的控制。
按下Y-△控制回路啟動按鈕SB2，時(shí)間繼電器KT得電，在得電的同時(shí)KT的瞬動觸點(diǎn)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(shí)，KM2不能投入工作，此時(shí)電動機(jī)處于Y形啟動狀態(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-△啟動電動機(jī)的功率來設(shè)定）。時(shí)間繼電器的延時(shí)常開和延時(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，交流接觸器KM2得電，其輔助觸頭對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。

4．時(shí)間繼電器電磁兼容性

時(shí)間繼電器的使用環(huán)境
    時(shí)間繼電器作為自動控制器件應(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)用場合中的各種干擾通過電磁耦合、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影響到整個(gè)自動控制系統(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*力，也就是說時(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，提高自身的市場競爭能力。

時(shí)間繼電器的抗電磁干擾措施

工作電源部分的抑制措施
    在實(shí)際工作使用中，一般采用下述方法來進(jìn)行抑制，提高其產(chǎn)品的抗*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*力。
執(zhí)行繼電器的抗干擾
    當(dāng)執(zhí)行繼電器的繞組（感性負(fù)載）被接通和斷開時(shí)。線圈中會產(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(diǎn)對交流感性負(fù)載的控制，也可考慮在觸點(diǎn)并接RC 器件，從而能對觸點(diǎn)在通斷時(shí)產(chǎn)生的干擾進(jìn)行有效的吸收。
屏蔽
    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(nèi)部產(chǎn)生的電磁能輻射出去；二則可防止外來 輻射進(jìn)入，在對內(nèi)部電子線路采用整體屏蔽措施，也可對內(nèi)部信號線采用屏蔽線，增強(qiáng)其抗*力。

5.結(jié)束語
    時(shí)間繼電器的發(fā)展，由zui早的分離器件來完成的延時(shí)，現(xiàn)在已有的CMOS時(shí)間繼電器芯片來替代，無論從時(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、編程方法簡單易學(xué)及可靠性高，廣泛地應(yīng)用自動時(shí)間控制領(lǐng)域，而這種PLC的使用對現(xiàn)有時(shí)間繼電器市場已占有了相應(yīng)的*，而這種趨勢還有逐步擴(kuò)大的勢態(tài)，可能在不久的將來，PLC會在自動控制領(lǐng)域中起到更重要的作用。