Принципы построения реле

Реле времени (РВ) предназначены для передачи команд из одной электрической цепи в другую с определенными, предварительно установленными выдержками времени. Функциональная структура РВ представлена на рис. 6.2. Основным элементом реле времени является инерционное звено (ИЗ), которое обеспечивает временную задержку. В статических реле времени в качестве ИЗ используют RC -цепи. При этом может использоваться заряд, разряд или перезаряд RC -цепи.

Рис. 6.2

Устройство фиксации выдержки времени – нуль-индикатор (НИ) представляет собой пороговое устройство, имеющее не менее двух устойчивых состояний. При изменении входного сигнала на определенную величину или при подаче на вход НИ электрического импульса, НИ переключается и сигнал на его выходе изменяется. Выходное устройство (ВУ) предназначено для преобразования выходного сигнала НИ в требуемый выходной сигнал реле времени. Устройство управления (УП) обеспечивает заданную логику работы реле времени.

Наименьшую погрешность и лучшие удельные показатели использования емкости времязадающего конденсатора обеспечивает перезаряд RC -цепи.

Максимальная временная задержка в аналоговых реле времени, использующих перезаряд RC -цепи, обычно не превышает 200 с. Принципиальная электрическая схема реле времени, в которой используется перезаряд накопительного конденсатора, приведена на рис. 5.3 [13].

Рис. 5.3

При отсутствии входного сигнала транзистор VT 1 закрыт, а транзисторы VT 2 и VT 3 открыты за счет смещения от источника коллекторного напряжения. Отрицательный потенциал на коллекторе VT 1, подаваемый через резистор R 4, обеспечивает насыщение транзистора VT 4, а, следовательно, и нулевой выходной сигнал. При этом времязадающий конденсатор С 1 заряжается с полярностью, показанной на рис. 6.3. При подаче на вход сигнала (единичный сигнал) транзистор VT 1 отпирается и через открытый транзистор и резисторы R 5 и R 6 начинается перезаряд емкости С 1. Напряжение на емкости С 1 положительным полюсом прикладывается к базе VT 2, обеспечивая его запирание. Транзистор VT 3 также переходит в состояние отсечки за счет цепи смещения, образованной диодом VD 4 и резистором R 7. Отрицательный потенциал на коллекторе VT 2 продолжает поддерживать насыщенное состояние выходного транзистора VT 4. Закрытое состояние VT 2 и VT 3 поддерживается в течение всего времени перезаряда конденсатора С 1.

При появлении на конденсаторе достаточного отрицательного потенциала отпираются транзисторы VT 2 и VT 3. При этом VT 4 переходит в состояние отсечки и на выходе возникает выходной (единичный) сигнал. В тех случаях, когда выходной сигнал исчезает до того, как конденсатор успевает перезарядиться, переключения выходного транзистора не происходит.

Для повышения выдержки времени и коэффициента использования емкости используется импульсный заряд времязадающего конденсатора.

Принципиальная электрическая схема реле РВГ приведена на рис. 5.4. В ней можно выделить несколько отдельных функционально законченных узлов: генератор импульсов, времязадающий конденсатор, пороговое устройство, выходное устройство и стабилизированный источник питания. Генератор импульсов служит для заряда времязадающей цепи. Он представляет собой блокинг-генератор, собранный на транзисторе VT 1, конденсаторах С 1 и С 3, диоде VD 4, резисторах R 6, R 7, и трансформаторе Тр.

 

Рис. 5.4

 

Времязадающий контур включает в себя зарядный конденсатор С 2 и резисторы R 4 и R 5, регулирующие выдержку времени.

Пороговое устройство представляет собой спусковую схему, которая переключается при достижении напряжения срабатывания. Выполнено пороговое устройство на транзисторах VT 1 и VT 2 по схеме, известной как аналог однопереходного транзистора.

Выходное устройство преобразует выходной сигнал порогового устройства в требуемый уровень напряжения. В него входит усилитель на транзисторе VT 4, управляющий выходным тиристором VS 1, в анодную цепь которого включено герконовое реле К 1. Последнее является исполнительным органом реле РВГ. Параметрический стабилизатор на стабилитронах VD 1 и VD 2 обеспечивает питание всех элементов схемы.

Работает реле следующим образом. При подаче напряжения питания начинает работать блокинг-генератор. Его импульсы, поступающие с выходной обмотки W 3 через диод VD 3 и резисторы R 4 и R 5, заряжают конденсатор С 2. Напряжение с конденсатора поступает на вход порогового устройства, оба транзистора которого в обычном состоянии закрыты. Пороговое устройство срабатывает в момент, когда напряжение, приложенное к эмиттеру VT 2, превышает падение напряжения на резисторе R 8. При отпирании порогового устройства отпирается транзистор VT 4, который, в свою очередь, переводит в проводящее состояние тиристор VS 1. Герконовое реле срабатывает. При снятии напряжения питания схема возвращается в исходное состояние.

Основными факторами, влияющими на стабильность выдержки времени, являются изменение напряжение питания и температуры окружающей среды.

В реле времени, изображенном на рис. 5.5 для уменьшения погрешности, обусловленной изменением U _п, используется стабилизация U _п и мостовая схема фиксации сигнала срабатывания. В этом случае компаратор включается между средними точками RC -цепи и делителя напряжения, который задает опорный сигнал компаратора.

Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению параметров RC -цепи и дополнительной погрешности. Для ее уменьшения применяются прецизионные элементы и методы термокомпенсации.

Кроме того, времязадающий конденсатор заряжается от источника тока, собранного на транзисторе VT 2, который стабилизирован в целях уменьшения погрешности, обусловленной изменением U _п. Значение тока заряда определяется сопротивлением резисторов R 4, R 5 и напряжением на базе транзистора VT 2, значение которого устанавливается делителем R 6 – R 10.

Рис. 5.5

 

Диод VD 3 обеспечивает термокомпенсацию изменения напряжения на переходе эмиттер-база и нелинейность характеристики перехода. Резистор R 7 предназначен для плавной регулировки тока заряда. Напряжение на конденсаторе С 1 изменяется по линейному закону. Скорость нарастания его, а, следовательно, и величины временной задержки плавно изменяется за счет изменения сопротивления резистора R 5. Пороговое устройство реализовано на операционном усилителе (DA 1), работающем в релейном режиме. Величина опорного напряжения определяется делителем R 8 – R 10.

В последнее время для построения РВ широко используют таймеры [13]. Таймерами называют функциональные элементы в интегральном исполнении, предназначенные для формирования точных интервалов времени от микросекунд до месяцев. Современные таймеры делятся на два класса: однотактные и многотактные со встроенными счетчиками. Однотактные используются для формирования временных интервалов до 1 часа. Структурно-функциональная схема однотактного таймера КР1006ВИ1 приведена на рис. 6.6.

Рис. 6.6

 

В ней можно выделить: триггер управления Т, выходной каскад на транзисторах VT 2, VT 3, два компаратора К 1, К 2, резисторный делитель R 1- R 3 для задания пороговых напряжений и разрядный транзистор Т 1. Компараторы служат для сравнения входных сигналов (порогового и запускающего) с напряжением управления на входе 5.

Выходные сигналы компараторов управляют работой асинхронного RS -триггера, сигналы которого усиливаются выходным каскадом. Выходная мощность, достаточная для непосредственного подключения электромагнитного реле с током срабатывания не более 200 мА. Если на входе «пуск» действует напряжение меньше 1/3 Еп, а на входе «порог» – меньше 2/3 Еп, то на выходе устанавливается уровень логического нуля. Если на тех же входах хотя бы одно напряжение превышает указанные величины, то на выходе будет уровень логической единицы.

Наличие входа «сброс» позволяет прерывать действие таймера независимо от уровня напряжений на входах «порог» и «пуск». Нормальный уровень напряжения на входе «сброс» не должен превышать 0,4 В. При напряжении более 1 В триггер отключается.

Напряжение питания может изменяться от 4,5 до 20 В. Разрядный транзистор VT 1 служит для подключения цепи временной задержки или других устройств.

В зависимости от уровня напряжения на входе «сброс» таймер может находиться в одном из двух режимов. Режим отключения устанавливается, если на входе «сброс» поддерживается нулевой уровень. При этом на выходе таймера поддерживается низкий уровень, транзистор VT 1 открыт, т.е. вывод 7 замкнут на общую шину. Таймер не реагирует на любые сигналы подаваемые на входы «порог» и «пуск».

Рабочий режим устанавливается при подаче на вход «сброс» высокого напряжения. При этом образуется два состояния. Первое возникает после запуска таймера и характеризуется высоким напряжением на выходе и закрытием VT 1, второе состояние устанавлива­ется после сброса таймера, при этом на выходе - низкое напряжение, a VT 1 - открыт.

Электрическая принципиальная схема РВ на базе таймера приве­дена на рис. 5.7. Внешняя RC- цепь определяет временную задержку параметры которой связаны соотношением t _max=1,1 RC.

Рис. 5.7

 

Значения R выбираются в пределах от 1,0 кОм до 10 Мом, а емкость конденсатора С лежит в пределах (1-100) мкФ.

Более подробные сведения об интегральных таймерах и области их применения можно найти в [13].

Структур­ная схема цифровой временной задержки представлена на рис. 5.8.

Рис. 5.8

 

В исходном состоянии сигнал U вх, подаваемый на установочные входы счетчиков (СЧ1 - СЧ3), поддерживает на их выходах потенциал логического нуля. На выходах дешифраторов (ДШ1-ДШ3) и переключателей уставки (ПУ1-ПУ3) также нулевой уро­вень. Инвертирующий логический выходной элемент поддерживает на выходе устройства уровень логической единицы.

При снятии U вх с установочных вход счетчиков импульсы так­тового генератора начинают подсчитываться трехразрядным счетчиком и анализироваться дешифратором. При достижении числа импульсов, определенного переключателями уставки, на выходном логическом элементе появляется нулевой уровень, который запретит поступление импульсов на первый счетчик. Реле отработало заданную уставку.

Цифровые реле времени отличаются большим многообразием электрических схем, сложность которых зависит в основном от сте­пени интеграции используемых интегральных микросхем (ИМС), реали­зующих функциональные узлы устройства.

При использовании ИМС малой степени интеграции каждый функциональный элемент выполняется на одной ИМС. В других случаях в одном корпусе ИМС объединяются несколько функциональных блоков. Например, в одном корпусе ИМС КР512ПС10 выполнены генератор, счетчик и дешифратор, а ИМС К145ИК1909 представляет собой программируемый микроконтроллер, который позволяет устанавливать, отраба­тывать и индицировать временные задержки от 0,01 до 10000с.

Проектирование цифровых РВ сводится к расчету частоты так­тового генератора и выбору ИМС, реализующих функциональные узлы. Частота генератора обычно выбирается из условия f _ТГ«1/∆ t, где ∆t – суммарная погрешность РВ.

Затем определяется суммарное число импульсов, которое необходимо подсчитать N_max = t _max f _ТГ, и необходимое число десятичных счетчиков m =lg N_max. Значение округляется до ближайшего большего целого. Построение отдельных функциональных узлов на ИМС изложено в [13].

Для маломощных устройств, функцию выходного коммутирующего устройства может выполнять непосредственно пороговое устройство. Для коммутации мощных нагрузок эффективно использовать для этой цели оптоэлектронные (твердотельные) реле (см. раздел 3.4). Управление ими осуществляется выходным сигналом порогового устройства. Произведенный выше анализ показывает, что основной задачей при конструировании РВ является проектирование узла регулируемой временной задержки и элементов управления им. В связи с этим, решение этой задачи рассмотрим на примере электрической схемы реле, представленной на рис.6.5.