摘要：本文對由COMS電路和時間專用芯片構成的時間繼電器，從工作原理以及在工控中的應用均給予較詳細介紹。 關鍵詞：時間繼電器 工控應用 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(tǒng)中常用的一種機床電器。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(fā)時間控制電路，至今已發(fā)展到廣泛使用通用的CMOS集成電路以及用專用延時集成芯片組成的多延時功能（通電延時、接通延時、斷電延時、斷開延時、往復延時、間隔定時等）、多設定方式（電位器設定、數(shù)字撥碼開關、按鍵等）、多時基選擇（0.01s、1s、1m、1h等）、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(yōu)點，是傳統(tǒng)時間繼電器所不能比擬的，故在現(xiàn)今自動控制領域里已基本取代傳統(tǒng)的時間繼電器。 國內(nèi)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(fā)展，近幾年隨著我國電子技術的不斷發(fā)展和國內(nèi)專用時間繼電器芯片的大量研發(fā)及應用，在很大程度上使國內(nèi)的時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(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(chǎn)品基本上可與國外產(chǎn)品進行等同互換。 綜上所述，時間繼電器是一種其延時功能由電子線路來實現(xiàn)的控制器。可廣泛適用于自控電路中作時間控制及指示用。 2.典型時間繼電器線路 圖1 通用CMOS電路構成的電路 原理分析 該延時電路的核心IC是由14位二進制串行計數(shù)器/分頻器構成，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)生的矩形波可進入14級分頻器，并通過10個輸出端得到不同的分頻系數(shù)（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(zhí)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(jīng)V6使之停振。發(fā)光管V1也隨繼電器同時工作，起到延時到達指示。 集成的公共清零端Cr（12腳）在電路上電的同時由C4、R3組成的 微分電路上產(chǎn)生瞬間尖脈沖，使計數(shù)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(tài)。 振蕩器參數(shù)設置 振蕩頻率f 與RC有以下近似關系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，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時應注意其條件，Rt＞1KΩ·Cr＞1000Pf，否則很難保證振蕩電路可靠起振。 在實際使用的時間繼電器，往往需要控制時間連續(xù)可調，為保證時間可調，則振蕩回路Rt可選擇線性較好X型可調電位器。延時電容可選擇穩(wěn)定性好的CBB聚丙烯電容，時間繼電器標牌延時刻度可根據(jù)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。 譬如要設置10s，可將Rt選擇，1MΩ可調電位器，Ct可選擇104 pF，輸出分頻端從15腳Q10引出，則最大延時值為11S，因集成是在時鐘脈沖下降沿的作用下作增量計數(shù)，則最大延時時間Tmax=2 n-1 · t= 2 10-1 ·2·2· RtCt= 2 9 ·2·2· 106×104×10-12 =11s。 當4060集成振蕩器部分也可配晶振，使之構成典型的晶體振蕩器，在此就不多加贅述。 圖2 時間專用芯片構成的電路 該專用芯片采用CMOS工藝，具有微功耗，抗干擾能力強（內(nèi)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(shù)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(yōu)點。現(xiàn)有逐步替代常規(guī)的CMOS計時分頻集成電路的趨勢。 在專用芯片OSC1、OSC2、OSC3外接晶振以及電阻構成并聯(lián)晶體振蕩器產(chǎn)生32768Hz主脈沖，主脈沖分別進入芯片內(nèi)置的時序電路和分頻器時基選擇電路，使之產(chǎn)生時序脈沖，并在P1、P2、P3、P4輸出BCD碼，P5產(chǎn)生相應的秒脈沖。P5產(chǎn)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(tài)，當延時來到時，秒脈沖可使線路的LED發(fā)光管處于閃爍狀態(tài)，待延時到達后，LED為常亮狀態(tài)，而在此時，D1、D2、D3、D4產(chǎn)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(zhí)行繼電器吸合工作，延時觸頭對外圍線路進行控制。 另外，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。如用戶有特殊需求，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(xù)工作，當接入高電平時計數(shù)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(xiàn)累加計時功能。在工作原理圖中開關K2可實現(xiàn)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(nèi)部執(zhí)行繼電器工作，待所設定的延時到達后OUT無高電平輸出，執(zhí)行繼電器釋放；如K3不接通，時間繼電器為常規(guī)的通電延時型，工作狀態(tài)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(yōu)點，是常規(guī)的CMOS計數(shù)分頻集成電路無法來實現(xiàn)的。 3.典型應用控制線路分析 在常規(guī)Y-△的電動機控制線路中，時間繼電器的延時控制使電機在Y形啟動切換至△形運行起到有效的控制。 按下Y-△控制回路啟動按鈕SB2，時間繼電器KT得電，在得電的同時KT的瞬動觸點對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，KM2不能投入工作，此時電動機處于Y形啟動狀態(tài)。 當時間繼電器KT延時到達后（KT的時間設置可根據(jù)所控制Y-△啟動電動機的功率來設定）。時間繼電器的延時常開和延時常閉觸頭轉換，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觸點進行自鎖，保證交流接觸器KM2吸合工作，使電機在△形運行。 圖3 Y-△電動機控制線路 4．時間繼電器電磁兼容性 時間繼電器的使用環(huán)境 時間繼電器作為自動控制器件應用較廣泛，尤其是在涉及低壓電器控制網(wǎng)絡中有較多電器設備環(huán)境中使用時電磁干擾問題更趨于嚴重。組成時間繼電器的內(nèi)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(huán)境下能否正常工作往往會影響到整個自動控制系統(tǒng)的正常邏輯功能，甚至還可能造成大的質量事故和經(jīng)濟損失。所以時間繼電器在各種惡劣環(huán)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，只有這樣才能完善其產(chǎn)品質量，提高自身的市場競爭能力。 時間繼電器的抗電磁干擾措施 工作電源部分的抑制措施 在實際工作使用中，一般采用下述方法來進行抑制，提高其產(chǎn)品的抗干擾能力。 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)品的抗干擾能力。 執(zhí)行繼電器的抗干擾 當執(zhí)行繼電器的繞組（感性負載）被接通和斷開時。線圈中會產(chǎn)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： 在線圈兩端反并二極管或RC器件，如控制觸點對交流感性負載的控制，也可考慮在觸點并接RC 器件，從而能對觸點在通斷時產(chǎn)生的干擾進行有效的吸收。 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，增強其抗干擾能力。 5.結束語 時間繼電器的發(fā)展，由最早的分離器件來完成的延時，現(xiàn)在已有專用的CMOS時間繼電器芯片來替代，無論從時間精度，延時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、靈活性好、硬件配套齊全、編程方法簡單易學及可靠性高，廣泛地應用自動時間控制領域，而這種PLC的使用對現(xiàn)有時間繼電器市場已占有了相應的市場份額，而這種趨勢還有逐步擴大的勢態(tài)，可能在不久的將來，PLC會在自動控制領域中起到更重要的作用。