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断电延时型时间继电器的研究与设计
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引言
时间继电器是一种延时功能由电子线路来实现的控制器。根据控制场合可选择使用如：通电延时型A;断电延时型F;星三角延时型Y;带瞬动输出的通电延时型C;间隔延时型G;往复延时型R;断开延时信号型K等规格以满足所需控制场合。在上述延时类型应用中，在许多场合都需要用断电延时型继电器进行控制。例如需要控制一台电机，要求在按下停止按钮需要延时一段时间后，电机再重新启动工作，则就需用到断电延时继电器来实现以上功能。所谓断电延时继电器，是当时间继电器线圈通电时，各延时触头瞬时动作，而线圈断电以后触头呈延时置位工作状态，当所设延时到达后，延时触头又恢复为初始状态。断电延时型因其工作状态(在延时过程中不需外接工作电源)以及控制触点在断电延时过程中吸合触点(常开触点变为接通状态应保持接通状态;常闭触点变为断开状态，应呈保持断开状态)转换特殊性(与常规通电延时型时间继电器触点工作状态正好相反)来满足其控制要求。断电延时型时间继电器由最早分离器件构成(延时精度低、延时时间短);现用相应可编程定时集成电路或CMOS计数分频集成来完成延时，与之相比，具有延时精度高，延时时间长的特点。以此满足断电长延时的控制场合。
典型电路
断电延时继电器整体构成包括断电延时继电器电源部分(经降压、整流、滤波)以提供断电延时继电器内置瞬动电磁继电器和2绕组闭锁型R复位线圈工作);二次电源部分(供断电后延时部分与2绕组闭锁型S置位线圈工作);延时工作部分(可编程定时集成或CMOS计数分频集成);驱动部分;执行继电器部分组成(图1)。
图1 控制框图
图2 分立器件原理图
由V2 P沟道场效应管、V3、V4三极管以及继电器为主要器件构成的断电延时型继电器示于图2。如下：端加入工作电源后，C1~C5都按其回路完成充电过程(充电时间应参照产品规定的时间)。同时内部2绕组闭锁继电器R复位线圈得电工作(虚框内转换触点4与6由电源接通转为断开状态，4与8接通)，相应外部触点进行转换端接通，呈延时工作状态)。
端工作电源呈断电时，则相应继电器进入延时工作状态。对V2 P沟道场效应管而言，随着C4经R6、RP2的放电，致使其源极S电压不断降低(在通电状态时，因UGS较小，ID为零，V2为截止工作状态)，根据场效应管相应转移特性(漏极电流ID与栅源电压VGS间的关系曲线)当VGS电压达到VGS(Th)(开启电压)时，V2导通。随着V2导通，则漏电流ID经R4产生相应电压降，使V3三极管导通工作，最终致使V4也导通。当V4导通后，C5电容器上的储能将使2绕组闭锁继电器置位线圈通电工作，使延时触点又恢复原始状态，从而完成了断电延时工作。
该电路的缺点是延时参数不易于设定，通常要对RP2调整(控制C4放电回路)、RP1调整(确定V2栅极电压)，并对C4、C3电容容量参数进行计算，再加上器件的离散性使延时误差较大，调整也不方便，现在基本上很少使用。
集成CD4060构成的延时电路示于图3。该电路核心延时由CD4060构成，延时设定由RP1与配置的C3来设定。内部2绕组闭锁继电器采用DC24V(采用较高工作电压的继电器，可降低其驱动电流，使驱动部分较为简单)。端加入工作电源，V1三极管工作，使其R复位线圈吸合工作，内部触点回至原始状态。C2、C4完成充电工作。
图3 CD4060集成原理图
端工作电源断电时，则进入相应的断电延时工作状态。IC○12引脚因C1放电在R3产生一个电平经R4加至○12引脚清零引脚清零，使其延时开始，延时时间经Q4~Q14(根据需求延时时间)来驱动V2工作，待延时到达后经VD7使其振荡停止。根据延时情况，对C2电容可进行相应的增大或减小(通过并联来完成C2的容量的增大或减小)C4电容来完成S置位线圈的工作。
该线路特点是延时设定方便，延时精度高，产品调整简便，目前使用较为广泛。
集成IC4541构成的延时电路示于图4。
图4 IC4541集成原理图
该电路核心部分由IC4541构成，延时设定由RP2、C*设定，A-B端根据需求接相应高、低电平(设定端)内部2绕组闭锁继电器采用DC12V(因继电器工作电压与IC4060组成延时电器要低，则为保证其驱动则分别由V6、V7、V1、V3构成)。其中C2为二次储能器件，可根据延时的长短予以调整，C4为完成S置位线圈工作。
总之采用由相应集成电路来完成延时的断电延时继电器，通常在选择集成上应考虑功耗低，闭锁继电器选择工作电压较高的继电器，从而使继电器在断电延时过程中的电能耗最小，以保证延时精确并可靠的工作。
工作时序图(图5)中延时t为在工作电源断开后，延时分断触点延时时间;如在延时过程中加入复位信号，则延时结束。
使用器件
因断电延时继电器控制触电触点转换要求，通常采用双稳态极化电磁继电器(又称为2绕组闭锁型继电器)来完成和满足其触点转换要求。其内部线圈以及触点见图 所示。该继电器内部拥有置位线圈S和复位线圈R，是一种可以保持置位状态或复位状态的闭锁结构继电器。当置位线圈S中有电流流过时，由内部铁芯、磁体、衔铁组成线圈和工作气隙组成磁路内产生磁通，并在工作气隙内建立起磁场，产生电磁吸力，吸引衔铁。在线圈中的电流达到一定值(即动作值)时，产生的电磁吸力足以克服磁体吸力和接触簧片产生的阻力时，驱动衔铁组动作，衔铁组两端推动卡推动接触簧片，使动合触点组闭合和动断触点组断开，从而完成触点转换，并保持置位状态。当断电延时结束后，此时复位线圈R有电流流过(置位线圈已无电流)，工作状态于置位线圈工作相同，在最终使闭合的动合触点断开、断开的动断触点又重新闭合。在此使用时应注意置位线圈S与复位线圈R的极性。
鉴于断电延时继电器的应用场合，通常在选用内部闭锁型继电器时，应参考下列条件为选择标准：功耗低、灵敏度高、大负载、高绝缘耐压、耐振动与冲击;只有如此才能保证断电延时工作可靠。尤其在耐震动和抗冲击方面，因其自身内部结构特殊性，所以与之相配套的断电延时型继电器在安装使用时，应注意其方面，以避免闭锁型继电器触点因振动或冲击造成触点误转换。
在继电器工作电压选择上，如同功耗的继电器，原则上选择线圈的工作电压较高的电磁继电器，这样可以减小加至置位线圈S和复位线圈R电流动作值，从而保证了电磁继电器在延时后加至复位线圈的动作电流满足其额定所需动作值，也充分保证了触点工作的可靠转换。
在有些断电延时时间继电器中，内部执行继电器也有采用1绕组闭锁型继电器，该继电器拥有一个线圈(S、R)并用)，是一种可根据外加电压极性切换并保持置位或复位状态的闭锁继电器。但因自身工作线圈外加电压极性必须切换，则使控制线路较为复杂，目前基本上很少使用。通常采用2绕组闭锁型继电器，使内部控制线路简单，且工作可靠。
控制线路分析
用于电机制动电路示于图7。
图7 电机控制电路
正常起动过程：按起动按钮SB2→KM1通电，主触点KM1闭合，电机工作，KM1辅助常开触点自锁，KM1辅助常闭触点断开;KT通电，KT常开延时打开触头闭合，KM2断电。
制动过程：按下停止按钮SB1→KM1断电，KM1主触点断开，电机脱离电源，KM1辅助常闭触点恢复闭合，KM2通电，接入直流电源，制动开始，同时KM1辅助常开触点又恢复断开，则KT线圈呈断电状态，延时开始，待所设延时时间到达后，KT的延时断开常开触点恢复断开，KM2失电，切断直流电源，制动结束。
在时间继电器控制线路中，应对其工作电源以及涉及触头在相应控制线路中应规范化，以便于更好的反映其在工作中的使用。
使用注意事项
·继电器电源电压应在允许电压波动范围内工作，通常为额定值85%~110%;直流电压峰值纹波系数不大于5%。如继电器工作电源有强的感性负载频繁工作，则应考虑在继电器工作电源端增加和使用浪涌吸收装置，以承受较高的(1500V)的浪涌电压，防止继电器电源击穿烧毁。
·继电器在使用时，电源接通时间必须大于1s，以便使继电器内部二次电源有充足的能量储备而保证在断开电源后按预设时间接通或分断负载;如需使用继电器外部复位信号功能，则接通持续时间不小于50ms，以保证其复位功能正常工作，严禁在复位信号端接入电源、有源信号或接地，否则会损坏继电器。
·继电器电源回路一般情况下是高阻抗的，因此在具体使用上应保证切断电源后漏电流要尽可能小，以免产生相应的感应电压而呈假关断引起误动作(断电延时后延时时间到但继电器出现不释放的现象)。为避免上述情况发生，对断电延时型电源端残留电压应小于额定电压的7%，而通电延时型所允许的残留电压小于额定电压的20%。
·断电延时继电器因内部采用2绕组闭锁继电器，该继电器与通常继电器相比较而言，适应环境能力较差，尤其在强磁场、高冲击振动场所对其影响更为突出，所以在使用时应尽可能避免在上述环境中使用。
·在控制负载上，不要用其直接控制大容量负载(内部所用2绕组闭锁继电器通常负载能力不强)应在额定允许情况下使用，并考虑负载形式和留有相应的裕量。
·继电器在使用环境、安装形式、温度、湿度、污染等级等方面要求应按继电器所规定的要求下工作。
结语
随着时间继电器在自动控制领域的广泛应用，不仅常规的通电延时时间继电器使用越来越多，而且断电延时型继电器也频繁在特定的场合得以应用，以此满足控制之需。所以具有延时精密高、断电延时长、可控制较大负载、抗干扰能力强等特点的断电延时型继电器定会在自动控制领域中起到更为重要的作用。
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