§ 7.3. Электронные реле времени

Существует много конструктивных и схемных методов замедления времени срабатывания (получения времени выдержки) электромеханических реле.

Наиболее широко распространены конденсаторные реле времени благодаря малым габаритам, надежности, простоте изготовления и малой стоимости. В этих реле выдержка времени обеспечивается с помощью интегрирующих -цепей с большой постоянной времени.

Простейшее конденсаторное реле времени с включением конденсатора параллельно обмотке электромеханического реле показано на рис. 7.5. Недостатком такого включения является сложная зависимость времени выдержки от индуктивности обмотки Ьобм.

Рис. 7.5.

В схеме на рис. 7.5 возможно возникновение нежелательных колебаний так как элементы и С образуют колебательный контур. Для исключения возможности периодических колебаний в цепи необходимо выполнить условие

откуда видно, что емкость конденсатора С необходимо выбирать большой.

Для устранения отмеченных недостатков осуществляют вязку интегрирующих входных -цепей и обмотки реле с помощью электронных схем.

Рис. 7.6

В таких реле времени, называемых электронными, время выдержки определяется в основном процессами заряда или разряда конденсатора. Схема простейшего электронного реле времени на транзисторе приведена на рис. 7.6, а. В исходном состоянии на входе схемы действует положительное напряжение , за счет которого диод находится в открытом состоянии, а транзистор VT закрыт. Пренебрегая обратным током транзистора, можно считать, что ток через обмотку реле, включенного в коллекторную цепь транзистора, не протекает. Конденсатор С заряжен до напряжения .

Если изменить полярность входного напряжения (рис. 7.6, б), т. е. подать отрицательный сигнал, диод запирается, так как входное напряжение изменяется скачком на значение , а напряжение на конденсаторе скачком измениться не может. При запирании диода источник входного сигнала отключается от схемы реле и конденсатор начинает разряжаться с постоянной времени выдержки (считаем внутренние сопротивления закрытых диода и транзистора значительно большими по сравнению с сопротивлением резистора R). Напряжение на конденсаторе изменяется по закону

стремясь при к уровню (рис. 7.6, б).

В момент времени , когда напряжение достигает нулевого значения, открывается эмиттерный переход транзистора.

Так как внутреннее сопротивление эмиттерного перехода мало (считаем ), то напряжение фиксируется на нулевом уровне и через базу транзистора протекает ток

вызывающий появление коллекторного тока

срабатывание реле, если .

Таким образом, в схеме рис. 7.6, б время выдержки определяется приближенно отрезком (пренебрегаем временем срабатывания электромеханического реле и переходными процессами в транзисторе). Начиная отсчет времени от и полагая в формуле , после некоторых преобразований получим

Если с момента скачком изменить полярность входного напряжения (обеспечить ), то откроется диод . Ток базы транзистора также скачком падает от значения до значения и меняет свое направление при

способствуя быстрому запиранию транзистора; — соответственно внутренние сопротивления источника входного напряжения и открытого диода .

Ток коллектора уменьшается со скоростью переходного процесса запирания транзистора, и при контакты электромеханического реле возвращаются в исходное состояние.

После запирания транзистора конденсатор заряжается до значения с постоянной времени восстановления исходного состояния схемы

Учитывая, что для выполнения неравенства (7.23) обычно принимают , можно записать

Зная постоянную , из формулы

найдем время восстановления исходного состояния схемы, отсчитываемое как промежуток времени между уровнями 0,1 и .

При обеспечении достаточно малых значений время восстановления исходного состояния схемы будет определяться временем отпускания электромеханического реле, т. е. .

Из формулы (7.22) следует, что для получения больших времен выдержки необходимо увеличивать параметры R и С, определяющие постоянную времени . Однако при увеличении емкокости конденсатора С одновременно с временем выдержки возрастает и время восстановления исходного состояния схемы, что снижает максимальную частоту входного сигнала, т. е. быстро действие схемы. Поэтому для получения больших значений более целесообразно увеличивать сопротивление резистора хотя при этом уменьшается рабочий ток коллектора. Полагая в формуле , найдем максимальное значение сопротивления резистора

Используя в схеме рис. 7.6, а составной транзистор, можно увеличить максимальное сопротивление резистора до значения

где — коэффициенты усиления по току отдельных транзисторов в схеме составного транзистора.

Рис. 7.7

В схеме реле времени, приведенной на рис. 7.7, а, для получения большой выдержки используется свойство стабилитрона резко уменьшать внутреннее сопротивление , если обратное напряжение, приложенное к стабилитрону, превышает напряжение пробоя . Временные диаграммы работы схемы приведены на рис. 7.7, б.

В исходном состоянии на входе схемы действует небольшое отрицательное напряжение — .

Диод открыт, а стабилитрон закрыт , так как к нему приложено обратное наряжение, равное напряжению . Так как база через резистор соединена с эмиттером, то транзистор закрыт и ток через обмотку электромеханического реле, включенного в коллекторную цепь не протекает. При подаче на вход схемы в момент времени положительного скачка напряжения диод зарывается, отключая источник входного сигнала от схемы, и конденсатор заряжается с постоянной времени б). Напряжение на конденсаторе , а следовательно, и обратное напряжение на стабилитроне истаб изменяются от значения по закону

стремясь к уровню — при .

При достижении в момент времени напряжением «стаб значения внутреннее сопротивление стабилитрона резко уменьшается (считаем ), а напряжение «с стабилизируется на уровне . Через базу транзистора без учета протекает ток

вызывающий появление коллекторного тока

и срабатывание реле, если .

Пренебрегая временем срабатывания электромеханического реле и переходными процессами в транзисторе, найдем время выдержки в схеме на рис. 7.7. Начиная отсчет времени от и полагая в выражении , будем иметь

После снятия скачком в момент времени положительного входного сигнала диод снова открывается и конденсатор разряжается через цепь, содержащую внутренние сопротивления открытого диода и источника входного сигнала . Напряжения на конденсаторе и стабилитроне изменяются по экспоненте постоянной времени от до уровня см. Внутреннее сопротивление стабилитрона возрастает что приводит к уменьшению базового тока и соответственно к запиранию транзистора.

При небольших значениях , когда , время восстановления исходного состояния схемы определяется временем отпускания электромеханического реле, т. е.

При время восстановления схемы рассчитывают из соотношения

Из формулы (7.30) следует, что время выдержки зависит от постоянной времени и напряжения пробоя стабилитрона. Чем больше , тем больше время выдержки.

Максимальное значение емкости конденсатора С ограничивается допустимым быстродействием схемы, а возрастание R и связано с уменьшением рабочего тока транзистора, так как для надежного срабатывания электромеханического реле необходимо выполнить условие

откуда следует

Как и в предыдущей схеме (см. рис. 7.6, а), можно увеличить с помощью составного транзистора.