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浅析时间继电器在自动控制中的应用
来源: | 作者:客服部 | 发布时间: 2021-03-01 | 317 次浏览 | 分享到:
摘要:本文分析介绍了时间继电器概况,对典型的原理以及应用线路进行了分析,并对时间继电器的电磁兼容性和使用注意事项以及未来发展趋势均给予了详细的介绍
  关键词:时间继电器;典型应用;电磁兼容;发展预测
1、引言
   时间继电器隶属低压电器范畴,如按分类应归入低压电器机电式控制电器类,是自动控制系统中常用的一种机床电器。就其发展史可追溯到70年代,由原传统的电动式时间继电器或用 RC充电电路以及单结晶体管所完成的延时触发时间控制电路,至今已发展到广泛使用通用的 CMOS集成电路以及用专用延时集成芯片组成的多延时功能、多设定方式、多时基选择、多工作模式、 LED 显示的时间继电器。由于其具有延时精度高、延时范围广、在延时过程中延时显示直观等诸多优点,是传统时间继电器所不能比拟的,故在现今自动控制领域里已基本取代传统的时间继电器。
    国内虽然时间控制器起步较晚,但在时间继电器领域也有了长足的发展,近几年随着我国电子技术的不断发展和国内专用时间继电器芯片的大量研发及应用,在很大程度上使国内的时间继电器无论外观以及产品性能上都有较大的发展。尤其在专用芯片的基础上又采用了芯片掩膜技术,将继电器的核心部分掩膜在印制电路板上,使时
间继电器从 LED数码显示改为LCD液晶显示,再加上普遍采用SMD贴片电子元器件 ,使产品外形体积更趋小型化,产品性能更加稳定 ,用户在使用时可通过面板外设的拨码或功能按键进行时间或控制方式的预置 ,从具体使用上有些产品基本上可与国外产品进行等同互换。
2、时间继电器概述
   2.1时间继电器的定义及适用范围
   时间继电器是一种其延时功能由电子线路来实现的控制器。可广泛适用于额定交流电压380V以下,频率50Hz/60Hz和直流电压220V及以下的自动控制电路中作时间控制、指示等用途。
   2.2 延时时基分类
   2.2.1工频50Hz时基分频类(只限于交流产品);
   2.2.2 RC振荡时基分频类;
   2.2.3 石英晶振分频类;
2.3 延时设定方式
   2.3.1 旋钮设定:
    在时间继电器旋钮设定中具体讲是由可调电位器改变其阻值而对应 。其产品相应的标牌刻度所进行的一种连续时间整定 ,但因考虑电位器阻值线性变化( 电位器如果指数式或对数型式不易使用)以及在所对应的延时电容误差等原因 ,此
种延时整定时间与面板刻度指示整定误差较大,一般适用于需延时精度要求不高的场合。
   2.3.2 数字整定
    时间整定可用产品面板的拨码开关、波段开关或相应的按键进行时间预置定 。此种延时整定的量值是离散的 ,但因不涉及时基电路的基准变化,故相应的整定延时精度较高 ,一般适用于延时整定方便、延时精度要求较高的场合。
2.3.3 时间继电器延时方式分类
   一般按常规可分为以下几种:
   a、通电延时          b、接通延时
   c、断电延时          d、断开延时
   e、(间隔)定时      f、往复延时
   g、星三角启动延时    h、程序式延时
2.3.4 时间继电器延时性能参数
   a、延时重复误差Er    b、整定误差Eset      
   c、电压波动误差Ev    d、综合误差Ec  
   e、复位误差t         f、电磁兼容性能EMC
2.3.5 时间继电器现执行标准
    现电子式时间继电器执行的标准为国家机械行业标准JB/T 10047-1999替代原ZBK 33 005-89从现行使用的标准与原标准有以下差异:
   2.3.5.1  对非正常条件下的负载特性所要求的各项性能作了相应的补充;
   2.3.5.2  对时间继电器的延时功能的要求作了部分修改,并放宽了某些误差指标的容限 ,对原旧标准中的延时稳定性误差的要求予以取消,对与电压和温度有关的综合误差由原来的必要项目现改为有条件的选择项目。
    以上标准的修订有利于生产厂家根据用户的要求进行较为合理科学的安排 ,制作成本及产品性能定位,从而更能满足用户的实际要求。
3、典型线路
   3.1 原理框图(图1)

3.2 典型线路分析
  3.2.1 常用CMOS计数分频集成电路CD4060构成时间继电器    
  3.2.1.1 集成电路引脚图(图 2)

该延时电路的核心IC是由14位二进制串行计数器/分频器构成,IC内部由振荡器和14级分频器组成,振荡器部分可由电阻Rt 和电容Cr构成振荡器,产生固定的振荡频率,主振产生的矩形波可进入14级分频器,并通过10个输出端得到不同的分频系数(分频最小可得到16分频Q4,最大可得到16384分频Q14),便可得到所需的定时控制。待分
频延时到达后,输出端的高电平使驱动电路三极管导通工作,从而使执行继电器工作 ,相应的延时触点对所需外围线路进行定时控制,IC 振荡也随输出的高电平经V6使之停振。发光管V1也随继电器同时工作,起到延时到达指示。
   集成电路的公共清零端Cr(12脚)在电路上电的同时由C4、R3组成的微分电路上产生瞬间尖脉冲,使计数器的输出端复位清零,并同时使振荡停振。待上电瞬间结束后 ,振荡器开始振荡工作,电路即进入分频延时工作状态。

实际使用的时间继电器,往往需要控制时间连续可调,为保证时间可调,则振荡回路 Rt可选择线性较好的X型可调电位器。延时电容可选择稳定性好的NPO电容 ,时间继电器标牌延时刻度可根据所选择的可调电位器机械行程的偏转角度来定,从而使设定时间值(标牌刻度示值)与实际延时值相吻合,以减少整定误差。我公司生产的 晶体管时间继电器如JS14A ,JS20均属此工作原理。

 CD4060集成电路内的振荡器部分也可配晶振,使之构成典型的晶体振荡器。
   3.2.2 时间专用芯片构成的时间继电器。
   3.2.2.1 可编程四位延时专用芯片介绍B9707EP
   该专用芯片采用CMOS工艺,具有微功耗,抗干扰能力强 (内部采用硬件编程),外配石英振荡器,多种时基选择,具有通电延时和间隔定时两种工作模式。四位延时整定,具有BCD码输出,可配译码器 LED 数码管驱动显示延时时间。具有延时精度高、显示直观、延时整定方便等优点。现有逐步替代常规的CMOS计时分频集成电路的趋势。
   3.2.2.2 专用芯片引脚介绍(图5)

   3.2.2.4 工作原理介绍
    在专用芯片OSC1、OSC2、OSC3外接晶振以及电阻构成并联晶体振荡器产生32768Hz 主脉冲,主脉冲分别进入芯片内置的时序电路和分频器时基选择电路,使之产生时序脉冲,并在P1、P2、P3、P4输出BCD码,P5产生相应的秒脉冲。P5产生的秒
脉冲在配相应的元器件后可反映时间继电器的工作状态,当延时来到时,秒脉冲可使线路的 LED发光管处于闪烁状态 ,待延时到达后,LED为常亮状态,而在此时,D1、D2、D3、D4产生位置显示扫描脉冲以及时基脉冲。
   时间设置可通过SA1、SA2、SA3、SA4拨码开关进行个、十、百、千的“8、4、2、1”设定至芯片寄存器中 ,以备在芯片内部比较电路中进行比较。K3与K4分别可设定工作模式和时基选择,并将设定输入到芯片内部工作模式寄存器和时基寄存器中 ,在芯片外部配相应的电源和7段锁存译码驱动器 ,则可显示延时值。当延时显示值与拨码设定值相吻合后 ,芯片内部所设定的比较电路工作使芯片12端 OUT输出高电平来驱动三极管V1导通,从而使执行继电器吸合工作,延时触头对外围线
路进行控制。
   我公司 JSS48A、JSS14等产品采用上述芯片,从用户使用的效果看较为理想。 3.2.2.5 时基选择说明
   该专用芯片有7种时基供选择,分别由D1、D2、D3与P5构成相应的二进制码来进行设定。设定选择时基可用符合下述二进制码的特制拨码开关完成,以方便用户的时基选择(见表1)。

 如继电器要12min16s时工作 ,此时可在拨码开关SA1~SA4上分别设置6..1.2.1 ,在K4时基上选择⑦处(对应拨码时基选择min/s), 待设置完毕后,通电即可进入延时工作。
   3.2.2.6 其它辅助功能
   片1脚 GATE 还具有累加计时功能,1脚在低电平时分频器连续工作 ,当接入高电平时计数器分频器暂停工作。当外接2变成低电平后,计时显示又可在原计时显示基础上累加计时 ,从而可实现累加计时功能。在工作原理图中开关 K2可实现此
功能。
    K3为工作模式选择,当K3接通时,时间继电器的工作模式为间隔定时,也就是当时间继电器接通工作电源后,芯片OUT输出端先输出高电平 ,致使内部执行继电器工作,待所设定的延时到达后OUT无高电平输出,执行继电器释放;如K3不接通,时间继电器为常规的通电延时型,工作状态与间隔定时相反。
    总之,针对时间继电器的工作特点而研制的时间专用芯片有其多时基选择、时间预置方便、显
示直观、时间整定误差小等优点,是常规的CMOS计
数分频集成电路无法来实现的。
4.时间继电器电磁兼容性
   4.1 时间继电器的使用环境
   时间继电器作为自动控制器件应用较广泛,尤其是在低压电器控制网络中有较多电器设备同时工作时电磁干扰更严重。组成时间继电器的内部元器件的损坏这时已不是引起时间继电器故障(失效)的主要原因 ,而在于应用场合中的各种干扰通过电磁耦合 、电容耦合直接进入时间继电器,干扰其正常的延时控制 。时间继电器在此干扰环境下能否正常工作往往会影响到整个自动控制系统的正常逻辑功能 ,甚至还可能造成大的质量事故和经济损失 。所以时间继电器在各种恶劣环境都应有较高的可靠性和抗干扰能力 ,也就是说时间继电器必须有良好的电磁兼容性能。

   4.2 电磁兼容性(EMC)
    电磁兼容性(EMC)的基本定义:设备或系统在其电磁环境中正常工作 ,并不等于对该环境中的任何东西产生不能承受的电磁干扰的能力。
   对EMC可按以下两部分理解:
   4.2.1 电磁骚扰能力
   电子产品在工作时对周围环境可通过辐射、传导方式产生电磁骚扰 ,产生的电磁骚扰要限制在一定水平,并且可通过一定的测量手段进行测量。
   时间继电器因考虑到用户的电压使用范围,有些规格的产品在电源部分采用了开关电源,这在使用时可能会产生不间断的电磁骚扰,其发射应不超过 GB/T 14048.1-2000中7.3.1 中规定的环境1的
发射极限 。
   4.2.2 抗电磁干扰能力。
    电子产品在对其工作的电磁环境应具备一定的抗电磁干扰能力 ,在此环境工作中电子产品不会导致失效。
    电子产品在抗干扰性能试验可分为以下四种,所要求的试验水平可根据自身产品性能 、实际使用以及客户的要求来制定。
   4.2.2.1 浪涌抗扰度试验(GB/T17626.5)
   4.2.2.2 快速瞬变脉冲群抗扰度试验(GB/T
   17626.4)
   4.2.2.3 射频电磁场辐射抗扰度试验(GB/T
   17626.3)
   4.2.2.4 静电放电抗扰度试验(GB/T 17626.2)
   4.3 时间继电器的抗电磁干扰措施
   4.3.1 工作电源部分的抑制措施
   4.3.1.1 采用隔离变压器
    隔离变压器是一种用得相当广泛的电源线抗干扰措施,其基本的作用是实现电路与电路之间的电气隔离,并可以隔离来自电源线的共模干扰。如将隔离变压器的各绕组分别屏蔽 ,各屏蔽层独自接地,以此来切断原、副边的电场耦合 ,隔离效果会更好。如采用带屏蔽的隔离变压器,既有一般的隔离功能,又兼有抗共模和差模的干扰能力。
   4.3.1.2 用压敏电阻和TVS器件
    在产品电源输入口增加瞬变干扰吸收器件主要对电网中持续时间短 、脉冲幅值高、能量大的浪涌波进行超过预定电压值能量转移 ,常用的器件如压敏电阻 、TVS 瞬变电压抑制器等。压敏电阻具有响应速度快(1×10-6 μs级)、残压低、容量大、体积小的特点;TVS响应速度更快(1×10-12μs级)且无老化现象 ,对浪涌电压有较高的响应速度和吸收能力。
  4.3.1.3 增加LEP低通滤波器
  在电源次级端通常采用低通滤波器来滤除幅度较小的干扰脉冲,以防止窜入信号输入端口。
   4.3.1.4 供电输出端口增加高频旁路电容
  在电源次级经整流、滤波、稳压后,由于滤波电解电容有一定的分布电感、高频性能差 ,故在稳压后增加高频性能好的非电解电容 ,一般采用涤纶电容以达到高频旁路的作用。
  4.3.1.5 电源整流滤波的选择
  在用电设备和电子产品使用中,因变电设施的故障或负载突然出现大的变化造成电压瞬时跌落或短时中断,这种随机的偏离额定电压并持续一段时间电压跌落或短时中断会造成电子产品集成电路的工作电压降至最低工作电压水平以下,使其集成电路延时分频功能不能正常可靠工作,从而造成延时错误 ,更有甚者会使产品自动清零,重新开始延时工作。
  对上述干扰一般采用对电源整流滤波的电解电容器的容量可选择大些,会起到较为明显的抗干扰性。但如果时间继电器在使用较频繁的启动场合,则应注意电容器的容量不宜选择太大,否则会影响产品得电清零复位的可靠性。
  4.3.1.6 电源线滤波器
  在的电源线输入端增加电源滤波器,可以有效抑制电磁干扰从电源线中传输到产品内部,它可提高时间继电器在电磁环境中运行的可靠性。
  4.3.2 执行继电器的抗干扰
  当执行继电器的绕组(感性负载)被接通和断开时, 线圈中会产生一连串上升速度快,频率和幅度都相当高的尖峰脉冲电磁振荡辐射 ,对直流继电器绕组通常采用以下方法来减少干扰:

   4.3.3.1 在线圈两端反并入二极管    二极管可阻止绕组对分布电容的充电,避免产生自谐振,通常也称并入续流二极管,并且也可使继电器的触头减慢释放速度;
   4.3.3.2 在线圈两端并入RC吸收网络  通过在继电器绕组并入RC可对自谐振进行功率消耗,降低干扰电压峰值幅度,迫使产生的自激振荡很快被衰减,从而起到减少干扰的目的。
   4.3.3.3 在线圈两端并联雪崩二极管  当线圈端瞬变电压低于管子击穿电压时,管子不工作。一旦瞬变电压超过管子的击穿电压,继电器绕组两端电压被箝位在管子
的击穿电压上,管子会有电流流过,并消耗一定功率,使振荡在限幅情况下很快结束,以此来消除干扰。
   4.3.3.4 在继电器控制触点上并RC
    在实际控制回路中,往往继电器的控制触点在交流线路中经常对感性负载进行控制,而被控制的感性负载能量由并入触点开关的 RC支路来释放,从而避免在开关触头上产生火花 ,抑制了瞬变干扰 ,在具体使用时应根据被控制负载及电压情况来确定RC的取值和C的耐压。
   4.3.3.5 继电器控制大功率负载的抗干扰
    当控制大功率负载时,开关的动作时间不能与大功率负载工作电压保持同步 ,这样会出现大的电流冲击和电压浪涌 ,为此最好采用交流固态继电器(电压过零型)来控制负载的接通与断开,使控制线路在无噪声的情况下操作 ,使干扰减至最小的程度。
   4.3.4 屏蔽
   屏蔽能有效地抑制通过空间传播的电磁干扰,一则可限制内部产生的电磁能辐射出去 ;二则可防止外来 辐射进入,常用的方法是将被屏蔽的部分屏蔽接地,屏蔽可分以下三种形式:电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽
4.3.4.1 整体屏蔽
   对时间继电器内部电子线路采用整体屏蔽措施。
   4.3.4.2 局部屏蔽
   一般对时间继电器的核心CMOS电路进行屏蔽。
   4.3.4.3 信号线采用屏蔽线
   因模拟信号因电平低、抗干扰能力差,传输线应采用屏蔽线,屏蔽线外屏蔽接地,连线应尽量短。
   4.3.5 印制板应布线合理
   干扰除外界因素外,因印制板布线不合理,元器件安装位置不当都可能造成电磁干扰,所以在设计电路板时应注意以下方面:
   a.电源线与信号线不要太近,并避免平行;
   B.接地应遵循单地原则,避免由于两点间的电位差引起干扰;
   C. 印制电路的公共地线一般设在印制的边缘略加宽,以方便各级电路就近并联接地;
   d.导线宽度不要突变,不要突然拐弯;
   E.布设模拟地线和数字地线不要交替排列,应相距远些,以消除相互间的耦合干扰;
   f. 芯片的信号传递线应尽可能短,以减少分布参数对传递特性的影响;
   g.强弱信号分开布线,交直流线路分开布线,高低压电路分开走线,减小布线环路面积。
5 时间继电器使用注意事项
   5.1 产品选型
   5.1.1 用户可根据具体的使用场所和要求来对产品进行适当选型,如延时精度要求,整定误差、数字显示、安装方式、产品价格等来选择产品类型;
   5.1.2 用户所需的实际延时值应与选择的产品最大延时值相吻合,尤其是在选用旋钮(电位器)调整的时间继电器时应特别注意,应避免用长延时的产品对短延时进行控制。
   5.2 控制电源
   5.2.1 使用前应检查当前的电源电压和频率是否与时间继电器的 额定电压和频率相符。
   5.2.2 允许时间继电器在电源电压85%-110%
额定电源电压范围内使用。
   5.2.3 如直流产品应按接线图正确接线,应
特别注意其电源极性。
   5.2.4 直流产品的电源纹波系数应不大于5%。
   5.2.5 产品电源应直接加入而不能通过一定时间逐渐调至额定工作电压,不然会导致产品不能正常工作。
   5.2.6 在高温连续通电使用时,应将电源电压工作范围改至 95%~110%,并且在高温下长时间处于延时到达会因内部发热而加快电子元器件老化,因此可考虑与继电器配合使用,避免长时间处于延时到达状态。
   5.2.7 继电器如工作在电网波动大,供电质量差,外来浪涌电压高的场合时,应在产品工作电源端增加相应的压敏电阻或RC吸收网络。
   5.3 控制信号
   5.3.1 外接控制信号输入线应尽可能短,如在干扰较强的场合,应使用屏蔽线,并应远离动力线和高压线。
   5.3.2 断电延时和断开延时的控制最短通电时间和断开控制信号输入时间应大于1s.
   5.4 其它说明
   5.4.1 旋钮设定的时间继电器面板“0”刻度,与拨码预置的“0”时间表示的不是0秒,而是表示可以设定的最小延时时间。
   5.4.2 时间继电器在延时过程中,不要转动已设定旋钮或拨动拨码预置开关和倍率开关,以免使延时时间偏离设定时间。
   5.4.3 时间继电器的触点工作电流应不超过其额定工作电流,如需控制较大负载可考虑使用中间继电器,在控制较大感性负载时,还应考虑在工作触点并联RC吸收电路。
   5.4.4 应尽量避免在有显著振动的场所中使用。
   5.4.5 应避免在遭受雨雪侵袭,接触水、油及阳光直射的场所中使用。

6.未来发展和预测
   时间继电器的发展,由最早的分立器件电路延时,到现在的CMOS时间继电器芯片延时,无论从时间精度,延时方式都有了较大的发展,尤其近几年可编程控制(PLC)以其通用性强、灵活性好、硬件配套齐全、编程方法简单易学及可靠性高,广泛地应用于自动时间控制领域,PLC的使用还有逐步扩大的趋势。

参考文献
   1.陆俭国主编.机床电器检验测试手册.机械工业出版社
  ,1999年5月第1版
   2.钱振宇主编.电磁兼容测试与对策技术,1999年3月  
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