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淺析時間繼電器在自動控制中的應用
來源: | 作者:客服部 | 發布時間: 2021-03-01 | 237 次瀏覽 | 分享到:
摘要:本文分析介紹了時間繼電器概況,對典型的原理以及應用線路進行了分析,并對時間繼電器的電磁兼容性和使用注意事項以及未來發展趨勢均給予了詳細的介紹
  關鍵詞:時間繼電器;典型應用;電磁兼容;發展預測
1、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、多設定方式、多時基選擇、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 ,使產品外形體積更趨小型化,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。
2、時間繼電器概述
   2.1時間繼電器的定義及適用范圍
   時間繼電器是一種其延時功能由電子線路來實現的控制器??蓮V泛適用于額定交流電壓380V以下,頻率50Hz/60Hz和直流電壓220V及以下的自動控制電路中作時間控制、指示等用途。
   2.2 延時時基分類
   2.2.1工頻50Hz時基分頻類(只限于交流產品);
   2.2.2 RC振蕩時基分頻類;
   2.2.3 石英晶振分頻類;
2.3 延時設定方式
   2.3.1 旋鈕設定:
    在時間繼電器旋鈕設定中具體講是由可調電位器改變其阻值而對應 。其產品相應的標牌刻度所進行的一種連續時間整定 ,但因考慮電位器阻值線性變化( 電位器如果指數式或對數型式不易使用)以及在所對應的延時電容誤差等原因 ,此
種延時整定時間與面板刻度指示整定誤差較大,一般適用于需延時精度要求不高的場合。
   2.3.2 數字整定
    時間整定可用產品面板的撥碼開關、波段開關或相應的按鍵進行時間預置定 。此種延時整定的量值是離散的 ,但因不涉及時基電路的基準變化,故相應的整定延時精度較高 ,一般適用于延時整定方便、延時精度要求較高的場合。
2.3.3 時間繼電器延時方式分類
   一般按常規可分為以下幾種:
   a、通電延時          b、接通延時
   c、斷電延時          d、斷開延時
   e、(間隔)定時      f、往復延時
   g、星三角啟動延時    h、程序式延時
2.3.4 時間繼電器延時性能參數
   a、延時重復誤差Er    b、整定誤差Eset      
   c、電壓波動誤差Ev    d、綜合誤差Ec  
   e、復位誤差t         f、電磁兼容性能EMC
2.3.5 時間繼電器現執行標準
    現電子式時間繼電器執行的標準為國家機械行業標準JB/T 10047-1999替代原ZBK 33 005-89從現行使用的標準與原標準有以下差異:
   2.3.5.1  對非正常條件下的負載特性所要求的各項性能作了相應的補充;
   2.3.5.2  對時間繼電器的延時功能的要求作了部分修改,并放寬了某些誤差指標的容限 ,對原舊標準中的延時穩定性誤差的要求予以取消,對與電壓和溫度有關的綜合誤差由原來的必要項目現改為有條件的選擇項目。
    以上標準的修訂有利于生產廠家根據用戶的要求進行較為合理科學的安排 ,制作成本及產品性能定位,從而更能滿足用戶的實際要求。
3、典型線路
   3.1 原理框圖(圖1)

3.2 典型線路分析
  3.2.1 常用CMOS計數分頻集成電路CD4060構成時間繼電器    
  3.2.1.1 集成電路引腳圖(圖 2)

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。
   集成電路的公共清零端Cr(12腳)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。

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可選擇線性較好的X型可調電位器。延時電容可選擇穩定性好的NPO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,以減少整定誤差。我公司生產的 晶體管時間繼電器如JS14A ,JS20均屬此工作原理。

 CD4060集成電路內的振蕩器部分也可配晶振,使之構成典型的晶體振蕩器。
   3.2.2 時間專用芯片構成的時間繼電器。
   3.2.2.1 可編程四位延時專用芯片介紹B9707EP
   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。四位延時整定,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、延時整定方便等優點?,F有逐步替代常規的CMOS計時分頻集成電路的趨勢。
   3.2.2.2 專用芯片引腳介紹(圖5)

   3.2.2.4 工作原理介紹
    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12端 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。
   我公司 JSS48A、JSS14等產品采用上述芯片,從用戶使用的效果看較為理想。 3.2.2.5 時基選擇說明
   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(見表1)。

 如繼電器要12min16s時工作 ,此時可在撥碼開關SA1~SA4上分別設置6..1.2.1 ,在K4時基上選擇⑦處(對應撥碼時基選擇min/s), 待設置完畢后,通電即可進入延時工作。
   3.2.2.6 其它輔助功能
   片1腳 GATE 還具有累加計時功能,1腳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2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。在工作原理圖中開關 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。
4.時間繼電器電磁兼容性
   4.1 時間繼電器的使用環境
   時間繼電器作為自動控制器件應用較廣泛,尤其是在低壓電器控制網絡中有較多電器設備同時工作時電磁干擾更嚴重。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。

   4.2 電磁兼容性(EMC)
    電磁兼容性(EMC)的基本定義:設備或系統在其電磁環境中正常工作 ,并不等于對該環境中的任何東西產生不能承受的電磁干擾的能力。
   對EMC可按以下兩部分理解:
   4.2.1 電磁騷擾能力
   電子產品在工作時對周圍環境可通過輻射、傳導方式產生電磁騷擾 ,產生的電磁騷擾要限制在一定水平,并且可通過一定的測量手段進行測量。
   時間繼電器因考慮到用戶的電壓使用范圍,有些規格的產品在電源部分采用了開關電源,這在使用時可能會產生不間斷的電磁騷擾,其發射應不超過 GB/T 14048.1-2000中7.3.1 中規定的環境1的
發射極限 。
   4.2.2 抗電磁干擾能力。
    電子產品在對其工作的電磁環境應具備一定的抗電磁干擾能力 ,在此環境工作中電子產品不會導致失效。
    電子產品在抗干擾性能試驗可分為以下四種,所要求的試驗水平可根據自身產品性能 、實際使用以及客戶的要求來制定。
   4.2.2.1 浪涌抗擾度試驗(GB/T17626.5)
   4.2.2.2 快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(GB/T
   17626.4)
   4.2.2.3 射頻電磁場輻射抗擾度試驗(GB/T
   17626.3)
   4.2.2.4 靜電放電抗擾度試驗(GB/T 17626.2)
   4.3 時間繼電器的抗電磁干擾措施
   4.3.1 工作電源部分的抑制措施
   4.3.1.1 采用隔離變壓器
    隔離變壓器是一種用得相當廣泛的電源線抗干擾措施,其基本的作用是實現電路與電路之間的電氣隔離,并可以隔離來自電源線的共模干擾。如將隔離變壓器的各繞組分別屏蔽 ,各屏蔽層獨自接地,以此來切斷原、副邊的電場耦合 ,隔離效果會更好。如采用帶屏蔽的隔離變壓器,既有一般的隔離功能,又兼有抗共模和差模的干擾能力。
   4.3.1.2 用壓敏電阻和TVS器件
    在產品電源輸入口增加瞬變干擾吸收器件主要對電網中持續時間短 、脈沖幅值高、能量大的浪涌波進行超過預定電壓值能量轉移 ,常用的器件如壓敏電阻 、TVS 瞬變電壓抑制器等。壓敏電阻具有響應速度快(1×10-6 μs級)、殘壓低、容量大、體積小的特點;TVS響應速度更快(1×10-12μs級)且無老化現象 ,對浪涌電壓有較高的響應速度和吸收能力。
  4.3.1.3 增加LEP低通濾波器
  在電源次級端通常采用低通濾波器來濾除幅度較小的干擾脈沖,以防止竄入信號輸入端口。
   4.3.1.4 供電輸出端口增加高頻旁路電容
  在電源次級經整流、濾波、穩壓后,由于濾波電解電容有一定的分布電感、高頻性能差 ,故在穩壓后增加高頻性能好的非電解電容 ,一般采用滌綸電容以達到高頻旁路的作用。
  4.3.1.5 電源整流濾波的選擇
  在用電設備和電子產品使用中,因變電設施的故障或負載突然出現大的變化造成電壓瞬時跌落或短時中斷,這種隨機的偏離額定電壓并持續一段時間電壓跌落或短時中斷會造成電子產品集成電路的工作電壓降至最低工作電壓水平以下,使其集成電路延時分頻功能不能正??煽抗ぷ?,從而造成延時錯誤 ,更有甚者會使產品自動清零,重新開始延時工作。
  對上述干擾一般采用對電源整流濾波的電解電容器的容量可選擇大些,會起到較為明顯的抗干擾性。但如果時間繼電器在使用較頻繁的啟動場合,則應注意電容器的容量不宜選擇太大,否則會影響產品得電清零復位的可靠性。
  4.3.1.6 電源線濾波器
  在的電源線輸入端增加電源濾波器,可以有效抑制電磁干擾從電源線中傳輸到產品內部,它可提高時間繼電器在電磁環境中運行的可靠性。
  4.3.2 執行繼電器的抗干擾
  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:

   4.3.3.1 在線圈兩端反并入二極管    二極管可阻止繞組對分布電容的充電,避免產生自諧振,通常也稱并入續流二極管,并且也可使繼電器的觸頭減慢釋放速度;
   4.3.3.2 在線圈兩端并入RC吸收網絡  通過在繼電器繞組并入RC可對自諧振進行功率消耗,降低干擾電壓峰值幅度,迫使產生的自激振蕩很快被衰減,從而起到減少干擾的目的。
   4.3.3.3 在線圈兩端并聯雪崩二極管  當線圈端瞬變電壓低于管子擊穿電壓時,管子不工作。一旦瞬變電壓超過管子的擊穿電壓,繼電器繞組兩端電壓被箝位在管子
的擊穿電壓上,管子會有電流流過,并消耗一定功率,使振蕩在限幅情況下很快結束,以此來消除干擾。
   4.3.3.4 在繼電器控制觸點上并RC
    在實際控制回路中,往往繼電器的控制觸點在交流線路中經常對感性負載進行控制,而被控制的感性負載能量由并入觸點開關的 RC支路來釋放,從而避免在開關觸頭上產生火花 ,抑制了瞬變干擾 ,在具體使用時應根據被控制負載及電壓情況來確定RC的取值和C的耐壓。
   4.3.3.5 繼電器控制大功率負載的抗干擾
    當控制大功率負載時,開關的動作時間不能與大功率負載工作電壓保持同步 ,這樣會出現大的電流沖擊和電壓浪涌 ,為此最好采用交流固態繼電器(電壓過零型)來控制負載的接通與斷開,使控制線路在無噪聲的情況下操作 ,使干擾減至最小的程度。
   4.3.4 屏蔽
   屏蔽能有效地抑制通過空間傳播的電磁干擾,一則可限制內部產生的電磁能輻射出去 ;二則可防止外來 輻射進入,常用的方法是將被屏蔽的部分屏蔽接地,屏蔽可分以下三種形式:電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽
4.3.4.1 整體屏蔽
   對時間繼電器內部電子線路采用整體屏蔽措施。
   4.3.4.2 局部屏蔽
   一般對時間繼電器的核心CMOS電路進行屏蔽。
   4.3.4.3 信號線采用屏蔽線
   因模擬信號因電平低、抗干擾能力差,傳輸線應采用屏蔽線,屏蔽線外屏蔽接地,連線應盡量短。
   4.3.5 印制板應布線合理
   干擾除外界因素外,因印制板布線不合理,元器件安裝位置不當都可能造成電磁干擾,所以在設計電路板時應注意以下方面:
   a.電源線與信號線不要太近,并避免平行;
   B.接地應遵循單地原則,避免由于兩點間的電位差引起干擾;
   C. 印制電路的公共地線一般設在印制的邊緣略加寬,以方便各級電路就近并聯接地;
   d.導線寬度不要突變,不要突然拐彎;
   E.布設模擬地線和數字地線不要交替排列,應相距遠些,以消除相互間的耦合干擾;
   f. 芯片的信號傳遞線應盡可能短,以減少分布參數對傳遞特性的影響;
   g.強弱信號分開布線,交直流線路分開布線,高低壓電路分開走線,減小布線環路面積。
5 時間繼電器使用注意事項
   5.1 產品選型
   5.1.1 用戶可根據具體的使用場所和要求來對產品進行適當選型,如延時精度要求,整定誤差、數字顯示、安裝方式、產品價格等來選擇產品類型;
   5.1.2 用戶所需的實際延時值應與選擇的產品最大延時值相吻合,尤其是在選用旋鈕(電位器)調整的時間繼電器時應特別注意,應避免用長延時的產品對短延時進行控制。
   5.2 控制電源
   5.2.1 使用前應檢查當前的電源電壓和頻率是否與時間繼電器的 額定電壓和頻率相符。
   5.2.2 允許時間繼電器在電源電壓85%-110%
額定電源電壓范圍內使用。
   5.2.3 如直流產品應按接線圖正確接線,應
特別注意其電源極性。
   5.2.4 直流產品的電源紋波系數應不大于5%。
   5.2.5 產品電源應直接加入而不能通過一定時間逐漸調至額定工作電壓,不然會導致產品不能正常工作。
   5.2.6 在高溫連續通電使用時,應將電源電壓工作范圍改至 95%~110%,并且在高溫下長時間處于延時到達會因內部發熱而加快電子元器件老化,因此可考慮與繼電器配合使用,避免長時間處于延時到達狀態。
   5.2.7 繼電器如工作在電網波動大,供電質量差,外來浪涌電壓高的場合時,應在產品工作電源端增加相應的壓敏電阻或RC吸收網絡。
   5.3 控制信號
   5.3.1 外接控制信號輸入線應盡可能短,如在干擾較強的場合,應使用屏蔽線,并應遠離動力線和高壓線。
   5.3.2 斷電延時和斷開延時的控制最短通電時間和斷開控制信號輸入時間應大于1s.
   5.4 其它說明
   5.4.1 旋鈕設定的時間繼電器面板“0”刻度,與撥碼預置的“0”時間表示的不是0秒,而是表示可以設定的最小延時時間。
   5.4.2 時間繼電器在延時過程中,不要轉動已設定旋鈕或撥動撥碼預置開關和倍率開關,以免使延時時間偏離設定時間。
   5.4.3 時間繼電器的觸點工作電流應不超過其額定工作電流,如需控制較大負載可考慮使用中間繼電器,在控制較大感性負載時,還應考慮在工作觸點并聯RC吸收電路。
   5.4.4 應盡量避免在有顯著振動的場所中使用。
   5.4.5 應避免在遭受雨雪侵襲,接觸水、油及陽光直射的場所中使用。

6.未來發展和預測
   時間繼電器的發展,由最早的分立器件電路延時,到現在的CMOS時間繼電器芯片延時,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(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,廣泛地應用于自動時間控制領域,PLC的使用還有逐步擴大的趨勢。

參考文獻
   1.陸儉國主編.機床電器檢驗測試手冊.機械工業出版社
  ,1999年5月第1版
   2.錢振宇主編.電磁兼容測試與對策技術,1999年3月  
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