Реле времени. Виды и принципы действия реле времени

Реле времени с электрическим замедлением
     Простейшие схемные методы получения выдержки времени
     Электромагнитные реле времени с магнитным демпфированием
     Конденсаторные реле времени
     Реле времени на магнитных усилителях
     Генераторные реле времени
     Реле случайного времени

Реле времени с механическим замедлением
     Реле времени с замедлением движения якоря электромагнита
     Реле времени с часовыми механизмами
     Моторные реле времени

Реле времени с электротермическим замедлением
     1. Биметаллические реле времени
     2. Реле времени с удлиняющейся нитью
     3. Реле времени на полупроводниковых терморезисторах
     4. Тепловые реле времени с расширяющейся жидкостью или газом
     5. Реле времени с разогревом катода электронной лампы

Реле времени с химическим и электрохимическим замедлением

Технические данные некоторых реле времени

Ориентировочные пределы изменения выдержки времени для различных приборов

КОНДЕНСАТОРНЫЕ РЕЛЕ ВРЕМЕНИ

Вконденсаторных реле времени замедляющая часть представляет собой релаксационный контур, состоящий ив сопротивления Rи конденсатора С. Иногда эти реле называют релаксационными реле времени.

Через время t₁ после начала заряда конденсатора напряжение на нем становится равным напряжению реагирования U_p1, т. е. напряжению на входе схемы, при котором срабатывает или отпускает имеющееся в схеме исполнительное реле. Графики изменения напряжения на конденсаторе при заряде и разряде в зависимости от времени приведены на рис. 8.


При u_c = u_p1 выдержка времени заканчивается, время выдержки в соответствии с (10) определяется выражением

Во втором случае конденсатор С, предварительно заряженный до напряжения u_c разряжается через сопротивление R. При этом напряжение на конденсаторе изменяется по закону

Выдержка времени с момента начала разряда до момента u_c = u_p2 будет:

Согласно формулам (11) и (13) выдержка времени зависит от четырех величин u_p, U, С, R.

Напряжение реагирования u_p для каждой схемы либо бывает постоянным (для схем с газоразрядными приборами), либо находится в функциональной зависимости от напряжения источника питания (для схем с электронными лампами).

Регулирование выдержки времени обычно осуществляется изменением постоянной времени контура RC или изменением напряжения питания U. Наиболее удобно производить плавное регулирование выдержки времени изменением сопротивления R. Подключение различных емкостей применяется лишь в некоторых конструкциях для изменения диапазонов выдержки времени.

Часто применяют лишь ступенчатое регулирование выдержки времени за счет изменения напряжения

Рис. 9. Зависимость относительной ошибки выдержки времени конденсаторных реле от колебаний напряжений питания, M=const.

питания. Обычно это осуществляется с помощью переключения секций делителя напряжения, подключенного параллельно источнику питания или стабилизатору напряжения.

Точность выдержки времени в конденсаторных реле зависит от состояния изоляции проводов, соединенных с конденсатором, стабильности сопротивления, емкости и других элементов схемы, а также напряжения питания. Зависимость выдержки времени от колебаний питающего напряжения является одним из основных недостатков простейших схем конденсаторных реле времени. На рис. 9 приведены зависимости отклонения выдержки времени в процентах при колебаниях напряжения питания. Сплошные линии соответствуют реле с использованием разряда конденсатора, пунктирные —схемам с использованием заряда конденсатора.
Характеризуемая графиком рис. 9 стабильность выдержки времени очень часто оказывается недостаточной. Приходится принимать специальные меры для устранения влияния колебаний напряжения питания на точность выдержки времени. К числу этих мер относятся:

1. применение стабилизаторов питающего напряжения;
2. применение компенсационных схем.

Некоторые способы компенсации ошибки, обусловленной нестабильностью напряжения питания, будут рассмотрены ниже. Во многих схемах удается обеспечить точность выдержки времени в пределах 1—2%.

Конденсаторные реле времени применяют для получения выдержки времени от сотых долей секунды до 4— 5 мин. Возможность получения стабильных выдержек времени большей продолжительности ограничивается саморазрядом конденсатора.

Рассмотрим некоторые схемы конденсаторных реле времени.

Рис. 10. Реле времени на неоновых лампах. а — простейшее реле; б — реле с компенсацией ошибки выдержки времени от колебаний напряжения питания.

Реле времени на неоновых лампах. Одна из простых схем конденсаторных реле времени с неоновыми лампами изображена на рис. 10,а. Реле основано на принципе заряда конденсатора. При замыкании ключа К конденсатор С начинает заряжаться через сопротивления R₁ и R₂. Когда напряжение на обкладках конденсатора достигнет напряжения зажигания неоновой лампы Л, лампа вспыхнет, и конденсатор разрядится через нее и обмотку реле Р. Реле сработает, замкнет шунтирующий контакт и тем самым снимет с конденсатора остаточный заряд и подготовит его к повторному включению. Одновременно переключатся контакты,
управляющие внешней цепью, и выдержка времени окончится.

После размыкания К схема возвращается в исходное положение. Регулировка выдержки времени осуществляется посредством изменения R₂.Данные схемы в соответствии с необходимым диапазоном выдержки времени можно рассчитать по формуле (11).

Так как напряжение зажигания неоновой лампы зависит от напряжения литания, то при колебаниях последнего выдержка времени будет изменяться. Графики рис. 9 свидетельствуют о том, что колебания выдержки времени могут быть весьма значительными. Для повышения стабильности реле времени часто напряжение питания стабилизируется путем применения второй неоновой лампы (стабилитрона).

Для дальнейшего повышения стабильности реле с неоновыми лампами могут применяться компенсационные схемы. Например, можно воспользоваться тем фактом, что включение источника постоянного напряжения последовательно с неоновой лампой эквивалентно изменению ее потенциала зажигания. В схеме рис. 10,б в цепь неоновой лампы Л₁ и конденсатора С введено напряжение, снимаемое с части сопротивления, стоящего в цепи стабиливольта Л₂. При изменении напряжения питания соответственно меняется падение напряжения на сопротивлении R₂, а следовательно, и напряжение реагирования неоновой лампы Л₁. Благодаря этому удается компенсировать влияние небольших колебаний напряжения питания.

Реле времени с неоновыми лампами являются простыми и удобными в эксплуатации приборами. Благодаря отсутствию подогревных катодов они не требуют времени на подготовку к работе. Вместе с тем в схемах реле с неоновыми лампами приходится .применять чувствительные электромагнитные реле и зарядные конденсаторы большой емкости, что ограничивает возможности применения этих схем.

Кроме того, время выдержки в некоторой мере зависит от условий применения прибора, так как под влиянием ионизаторов (освещение, космические лучи, радиоактивное излучение и т. п.) потенциал зажигания неоновой лампы может несколько измениться.
Для более устойчивой работы реле времени неоновые лампы нужно подбирать с достаточно большой разностью потенциалов зажигания и погасания.

Реле времени на тиратронах тлеющего разряда. Применение в конденсаторных реле времени тиратронов тлеющего разряда расширяет диапазон регулируемой выдержки времени, дает возможность применять более грубые исполнительные электромагнитные реле и зарядные конденсаторы меньшей емкости.

Тиратроны тлеющего разряда представляют собой газонаполненные лампы с тремя электродами. Кратко рассмотрим устройство и работу этих приборов на примере лампы МТХ-90. В наполненном смесью инертных газов при давлении порядка 10 мм рт. ст. стеклянном баллоне 1 (рис. 11) концентрически расположены три электрода. В середине расположен основной анод 4, которым служит отрезок металлической проволоки, заключенный в стеклянный чехол так, что с газоразрядным пространством соприкасается только его торец. Малая площадь основного анода способствует созданию большой напряженности поля у его поверхности. На уровне торца основного анода расположен управляющий (пусковой) анод 3, выполненный в виде плоского кольца. Снаружи расположен катод 2, выполненный в виде металлического цилиндра с кислородно-цезиевым покрытием на внутренней поверхности.

Действие такого тиратрона основано на следующем принципе. Если между управляющим анодом 3 и катодом 2 вызвать тихий разряд с током разряда i_ук то напряжение зажигания между основным анодом 4 и катодом будет уменьшаться с увеличением тока i_ук.

Рис. 11. Устройство тиратрона тлеющего разряда.

На рис. 12а приведена простейшая схема реле времени на тиратроне тлеющего разряда. Реле работает на принципе заряда конденсатора. В выключенном положении конденсатор С разряжен, так как замкнут на сопротивление R₁. При переключении переключателя К в нижнее положение конденсатор С начинает заряжаться.
С ростом напряжения на конденсаторе растет ток в цепи: сопротивление R₃,управляющий анод 3, катод 2. При определенном значении напряжения на конденсаторе лампа вспыхивает и реле Р срабатывает, переключая контакты.

На рис. 12,б изображена более устойчиво работающая схема реле времени на тиратроне тлеющего разряда. При замыкании ключа К между управляющим анодом и катодом тиратрона возникает слабый ток темного разряда. Ток ограничивается сопротивлением R₄. Одновременно .начинается заряд конденсатора С через сопротивлениеR₁. Когда напряжение на конденсаторе С достигает напряжения зажигания тиратрона, разряд перебрасывается в цепь анода, тиратрон зажигается и срабатывает исполнительное реле P, управляющее внешней цепью. Одновременно замыкаются контакты блокировки. Тиратрон гаснет после того, как конденсатор С разрядится через сопротивление R₂ и обмотку реле Р. Реле остается включенным через сопротивление R₃ до размыкания ключа К,

Рис. 12. Конденсаторное реле времени на тиратроне тлеющего разряда. а — простейшая схема с разрядом конденсатора; б — схема с зарядом конденсатора и самоблокировкой.

На примере схемы рис. 12,б видно, что тиратроны тлеющего разряда благодаря наличию управляющего электрода дают возможность частично избавиться от основных недостатков газоразрядных приборов: низкой чувствительности и недостаточной стабильности. Эти недостатки обусловлены тем, что для возникновения лавинного процесса в неоновой лампе нужна начальная ионизация, уровень которой может меняться от ряда причин. В тиратронах тлеющего разряда можно все время поддерживать уровень начальной ионизации за счет темного разряда в промежутке управляющий анод — катод. Это определяет потенциальную возможность широкого применения этих приборов в конденсаторных реле времени.

Реле времени на тиратронах тлеющего разряда, предназначенные для питания от сети переменного тока, обычно снабжаются выпрямителем и стабилизатором напряжения. В качестве примера на рис. 13 приведена схема выпускаемого (промышленностью реле времени типа BЛ1, дающего выдержку времени 1—200 сек с точностью ±15%. В этом реле также используется принцип

заряда конденсатора. Выдержка времени начинается с момента включения прибора в сеть переменного тока переключателем П₁. При этом выпрямленное полупроводниковыми диодами Д₁, Д₂ и стабилизированное диодом тлеющего разряда Л₁ (типа СГ-ЗС) напряжение подается в цепь заряда конденсатора С₂ (сопротивления R₅+R₇+R₉) и на управляющий анод тиратрона Л₂ (типа МТХ-90). Когда напряжение на конденсаторе С₂ достигнет потенциала зажигания тиратрона Л₂ и он вспыхнет, сработает исполнительное реле Р (электромагнитное нейтральное реле типа ПЭ-2). Исполнительное реле Р имеет, кроме контактов, управляющих внешней цепью, дополнительные контакты, которые при срабатывании реле замыкают конденсатор С₂ на сопротивление R₁₀. Конденсатор разряжается, и схема подготавливается к новому циклу работы. Выдержка времени регулируется сопротивлением R₅. Переключателем П₂ устанавливают диапазон выдержки времени, включая или выключая сопротивление R₈ в цепи заряда конденсатора.

Согласно данным иностранной печати, конденсаторные реле времени на тиратронах с холодным катодом находят все большее промышленное применение.

Некоторое влияние на величину напряжения зажигания тиратрона тлеющего разряда оказывает температура. Поэтому желательно в схемах осуществлять компенсацию влияния не только колебаний напряжения питания, но и колебаний температуры.

Реле времени на тиратронах дугового разряда. Тиратроны дугового разряда представляют собой газонаполненные электронные лампы. При определенном напряжении на управляющей сетке происходит скачкообразное «зажигание» тиратрона, т. е. в анодной цепи появляется ток, обычно значительно больший, чем у вакуумной электронной лампы. После зажигания тиратрона управляющее действие сетки прекращается. Погасить тиратрон можно, лишь значительно снизив анодное напряжение или прервав его на время, большее времени деионизации (10^-5—10^-3 сек), или, наконец, подав анодное напряжение обратной полярности.

В конденсаторных реле времени на тиратронах дугового разряда цепьRC,определяющая выдержку времени, включена между сеткой и катодом тиратрона. В анодной цепи тиратрона обычно имеется исполнительное электромагнитное реле.

В реле на тиратронах дугового разряда, как и в других конденсаторных реле времени, приходится принимать меры для устранения влияния колебаний напряжения питания на время выдержки. Например, в работающих на принципе разряда тиратронных конденсаторных реле удобно применять следующий способ. Предварительно заряженный до напряжения U₀ конденсатор С(рис. 14,а) в момент начала выдержки времени переключается на напряжение противоположной полярности— U₀. Если за время разряда конденсатора напряжение питания не изменится, то время разряда будет зависеть не от U₀, а лишь от величины С и R.Этот способ может быть использован в любом конденсаторном реле. В реле на тиратронах его особенно легко реализовать.

На рис. 14,б приведена построенная по описанному способу схема конденсаторного реле на тиратроне дугового разряда. Прибор питается от сети переменного тока, в связи с чем в него входит ламповый выпрямитель, состоящий из трансформатора T_р, двойного диода Л₁ и конденсаторов С₁ и С₂. При включении прибора в сеть

Рис. 14. Конденсаторное реле на накальном тиратроне. а — способ компенсации влияния колебаний напряжения питания на время разряда конденсатора; б — схема, использующая изображенный выше способ компенсации.

загорается тиратрон Л₂, так как на анод и сетку его подается положительное напряжение. При зажигании тиратрона срабатывает электромагнитное реле Р, переключая контакты Р. При этом конденсатор С₃ подключается к напряжению—U₀. Несмотря на то, что на сетке Л₂ окажется отрицательное напряжение—U₀,тиратрон продолжает гореть, так как на аноде сохраняется положительное напряжение. Схема подготовлена к осуществлению выдержки времени.

Если выключатель К переключить в другую позицию, начнется выдержка времени. Так как время деионизации тиратрона очень мало, то разрыв анодной цепи лампы на несколько миллисекунд при переключении К оказывается достаточным, чтобы лампа погасла благодаря большему отрицательному потенциалу на сетке. При этом 'реле Р отпустит, контакт Р вернется в нормальное положение и конденсатор С₃ окажется подключенным через сопротивление R₁ на напряжение обратной полярности +U₀. Когда конденсатор С₃ разрядится настолько, что потенциал на сетке тиратрона снизится до 1 — 3 в, тиратрон вспыхивает, реле вновь срабатывает, переключая контакты. Выдержка времени заканчивается и восстанавливается начальное состояние подготовки

Рис. 16. Принцип устройства конденсаторного реле времени на электронной лампе. а — общая схема реле времени; б, в,г — различные схемы RС-цепей.

к работе. При переключении К процесс повторяется вновь. Таким образом, для запуска схемы нужно на очень короткое время разорвать анодную цепь лампы.

Выдержка времени регулируется изменением сопротивления R₁. Точность выдержки времени зависит от крутизны кривой разряда конденсатора вблизи точки зажигания тиратрона и допусков сопротивления и емкости. Легко получить точность выдержки времени 1—2%.

Реле времени на электронных лампах. Конденсаторные реле времени на электронных лампах находят широкое применение в самых различных областях техники. Поэтому рассмотрим работу конденсаторного реле этого вида несколько более подробно, чем предыдущих.

Общая схема конденсаторного реле времени на электронной лампе (триоде) приведена на рис. 15,а. Аналогичная схема может быть собрана и на пентоде. При включении контакта Кк сетке лампы подводится (или отключается) управляющее напряжение. Цепь RC замедляет возрастание или спадание этого напряжения. Управляющее напряжение, подводимое к цепи управляющей сетки лампы, увеличивает или уменьшает анодный ток так, что включенное в анодную цепь электромагнитное реле срабатывает или отпускает, коммутируя при этом внешние цепи.

На рис. 15,б, в, г приведены различные схемы RC- цепей. Их можно использовать для замедления как по срабатыванию, так и по отпусканию анодного реле Р. В качестве анодных реле обычно используются стандартные электромагнитные реле массового производства (КДР, РКН, РКМ, РП-7 и др.).

Полярность напряжения U может быть выбрана так, что напряжения U и U_c складываются (согласное включение U и U_c) или вычитаются (встречное включение U и U_c).

При согласном включении U и U_c их значения подбираются таким образом, чтобы при напряжении на сетке u_c = U_c+U анодной ток был ничтожно мал (лампа заперта), а .при u_c=U_c анодный ток лампы был равен или больше тока срабатывания реле Р (обычно стараются обеспечить коэффициент запаса не ниже1,5)

Для встречного включения лампа должна быть заперта при u_c=U_c,а при u_c=U_c + U анодный ток лампы должен быть больше или равен току срабатывания реле Р.

На рис. 15,б изображена схема RС-цепи с использованием разряда конденсатора. Схема обеспечивает замедление срабатывания анодного реле Р при обозначенной на схеме полярности напряжения (согласное включение U и U_c).

В исходном положении ключ К замкнут, на конденсаторе С напряжение u_конд=U,на сетке лампы отрицательное напряжение u_c=U_c + u_конд и лампа заперта. Анодное реле в положении покоя. После размыкания ключа К конденсатор С начнет разряжаться через сопротивление R.По мере разряда конденсатора отрицательное напряжение смещения на сетке лампы уменьшается и анодный ток увеличивается. Через время t после размыкания ключа К анодный ток лампы достигнет величины тока срабатывания электромагнитного реле Р и реле сработает. При замыкании ключа К на сетке лампы вновь окажется большое отрицательное напряжение, анодный ток лампы уменьшится и реле отпустит.

Чтобы схему рис. 15,б использовать для замедления анодного реле по отпусканию, полярность напряжения U должна быть обратной изображенной на рисунке (встречное включение U и U_c).

В этом случае анодное реле Р будет в рабочем положении при замкнутом ключе К. При размыкании К конденсатор начнет разряжаться, отрицательное напряжение смещения на сетке лампы будет постепенно увеличиваться, анодное реле Р будет отпускать с замедлением.

На рис. 15,в изображена схема RC-цепи с использованием заряда конденсатора. При обозначенной на рис. 15,в .полярности напряжения (встречное включение U и U_c)она обеспечивает замедление при срабатывании реле. В исходном положении конденсатор С замкнут накоротко, на сетке большое отрицательное напряжение u_c=U_c, лампа заперта и анодное реле Р находится в положении покоя. При .переключении ключа К конденсатор С начинает заряжаться через сопротивление R, отрицательное напряжение смещения на сетке уменьшается и растет анодный ток. В результате анодное реле Р сработает с замедлением.

При обратном переключении К конденсатор С замыкается накоротко, отрицательное напряжение смещения на сетке лампы становится разным u_c = U_c и анодное реле отпускает.

Если полярность напряжения U выбрать обратной изображенной на рис. 15,в (согласное включение U и U_c ), то схема рис. 15,в обеспечит замедление анодного реле Р по отпусканию. В этом случае в исходном положении анодное реле Р находится в рабочем состоянии, так как при показанном на рисунке положении ключа К напряжение на сетке лампы будет равно напряжению U_c.

При начинающемся с переключением контактов К в верхнее положение заряде конденсатора С отрицательное напряжение смещения на сетке лампы постепенно растет и анодный ток уменьшается. Когда он станет равным току отпускания, реле отпустит. Схема RC-цепи (рис. 15,г) может быть использована для получения выдержки времени за счет инерционности заряда и разряда конденсатора. Максимальное напряжение конденсатора

При согласном включении напряжений U_c и U анодное реле будет отпускать с замедлением при замыкании ключа К и срабатывать с замедлением при размыкании ключа К. При встречном включении напряжений U_c и U действие анодного реле будет обратным.

При расчетах выдержки времени конденсаторного реле на электронных лампах по формулам (11) и (13) за напряжение реагирования принимается:

1) в случае замедления анодного реле по срабатыванию

где u_с.сраб — напряжение на сетке лампы, при котором анодное реле Р срабатывает;

2) в случае замедления анодного реле по отпусканию

где u_с.отп— напряжение на сетке лампы, при котором анодное реле отпускает.

Кроме того, при использовании схемы рис. 15,г:

а)  значение U принимается согласно (14);

б)  при использовании инерционности заряда, т. е. при расчете по формуле (11), берется

в) при использовании инерционности разряда, т. е. при расчете по формуле (13), берется R=R₂
Приведенная на рис. 15,а общая схема конденсаторного реле с использованием электронной лампы поясняет принцип устройства рассматриваемых реле времени и в реальных схемах может быть осуществлена во многих вариантах. В применяемых на практике схемах обычно имеется один общий источник питания. В качестве примера рассмотрим один из вариантов работающего на принципе разряда реле времени, схема которого приведена на рис. 16.

В положении 1 переключателя П конденсатор С заряжен до напряжения aU, где а — коэффициент деления потенциометра R₁+R₂. Лампа открыта, реле Р сработало. Если переключатель П переключить в положение 2, напряжение на сетке лампы изменится на u_с =—aU, и лампа будет заперта. Реле Р отпустит и начнется выдержка времени. По мере разряда конденсатора потенциал сетки увеличивается, поэтому анодный ток лампы возрастает, и когда ток достигнет тока срабатывания
анодного реле, реле Р сработает и выдержка времени закончится.

Плавное изменение выдержки времени производится изменением напряжения aU с помощью потенциометра R₁ + R₂.Сопротивление R₃ берут в пределах 1—5 Мом.
Конденсаторные реле времени на электронных лампах обладают способностью в какой-то мере компенсировать влияние колебаний напряжения питания на стабильность выдержки времени. Если напряжение источника питания U увеличится, то при неизменном напряжении реагирования выдержка времени должна также измениться. Но с изменением анодного напряжения лампы ее анодно-сеточная характеристика смещается, вследствие чего напряжение реагирования будет в какой-то мере следовать за анодным напряжением, компенсируя ошибку выдержки времени. Стабильность реле времени получается наилучшей, если напряжение реагирования будет равно U_a/, где U_a— анодное напряжение, — коэффициент усиления лампы. В случае применения пентодов или тетродов коэффициент усиления берется для триодного соединения. Физически величина U_a/ характеризует напряжение запирания лампы при линейной аппроксимации ее характеристики.

Рис. 16. Схема конденсаторного реле времени на электронной лампе.

Рис. 17. Схема реле времени ЭРВ-99.

До замыкания управляющего контакта К лампа 6Н8С работает как диод, в котором сетка выполняет роль анода, т. е. работает в качестве однополупериодного выпрямителя. В цепи, состоящей из катода лампы, сопротивлений R₂,R₃,части сопротивления R,сопротивления R₁ и сетки лампы течет ток, величина которого зависит от положения движка сопротивления. Этот ток создает на сопротивлении R₁ падение напряжения, до амплитудного значения которого заряжается конденсатор C₁= 1 мкф с полярностью, указанной на схеме. Тока в анодной цепи нет, так как и анод и катод лампы находятся под одним и тем же потенциалом. Обмотка электромагнитного реле Р обесточена.

При замыкании управляющего контакта К анод и катод лампы оказываются включенными на напряжение сети, а сетка лампы — на напряжение, снимаемое с части бв потенциометра R,и напряжение заряда конденсатора С₁. В начальный момент напряжение на конденсаторе С₁ превышает напряжение, снимаемое с потенциометра R.Анодный ток лампы остается равным нулю, так как на сетке сравнительно высокий отрицательный потенциал. По мере разряда конденсатора С₁ на сопротивление R₁ отрицательный потенциал на сетке падает и наступает момент, когда ток в анодной цепи возрастает до величины тока срабатывания электромагнитного реле. Потенциал, до которого заряжается конденсатор С₁, а следовательно, и выдержка времени, зависит от положения движка потенциометра R= 20000 ом. Выдержка времени может регулироваться в пределах 2—60 сек.

Для сглаживания пульсаций анодного напряжения после срабатывания реле служит конденсатор С₂= 1 мкф.

Очень похоже на реле ЭРВ-99 по принципу устройства реле типа ЭРВ-60. В схеме ЭРВ-60 применена вторая лампа (6ПЗС), работающая как усилитель мощности. В анодную цепь этой лампы включена обмотка более мощного, чем в реле времени ЭРВ-99, электромагнитного реле типа РЭ-100.

Кроме того, у реле ЭРВ-60 потенциометр регулирования выдержки времени выполнен в виде отдельного задающего устройства, которое состоит из двух переключателей на 10 положений каждый и секций сопротивлений.

Технические характеристики реле времени ЭРВ-99 и ЭРВ-60 приведены в приложении I в конце книги.

Конденсаторное реле на полупроводниковых триодах. Полупроводниковые триоды находят в последнее время все более широкое применение в самых различных областях техники. Это обусловлено многими ценными качествами электронных приборов данного типа: малыми размерами и весом, значительной вибро- и ударостойкостью, способностью работать при весьма низких напряжениях питания с высоким к. п. д., отсутствием нитей накала и весьма большим сроком службы.

Однако при практическом осуществлении схем на кристаллических триодах приходится сталкиваться с рядом трудностей, которые в известном смысле можно считать «болезнями роста». В частности, при создании конденсаторных реле на современных полупроводниковых триодах приходится сталкиваться с двумя основными недостатками этих приборов: 1) значительная зависимость параметров от температуры и режима и 2) значительный разброс параметров от образца к образцу. Можно надеяться, что благодаря применению специальных схем с учетом характерных особенностей кристаллических триодов и широкому использованию отрицательной обратной связи в каскадах эти трудности удастся преодолеть в ближайшем будущем.

На рис. 18,а приведена одна из возможных простейших схем конденсаторного реле времени на полупроводниковых триодах.

Рис. 18. Конденсаторные реле времени на полупроводниковых элементах. а — простейшая схема; б — схема на транзисторе и кремниевом стабилитроне; в—вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона.

Эта схема, в которой используется инерционность разряда конденсатора, собрана на полупроводниковых триодах типа П4Б. На входе усилителя включен конденсатор С, заряжающийся при включении управляющего контакта К до напряжения источника питания. При размыкании управляющего контакта К конденсатор начинает разряжаться, напряжение базы первого триода уменьшается и соответственно уменьшается напряжение на коллекторе. При этом напряжение базы второго триода также падает, и уменьшается ток эмиттера, что приводит через некоторое время к отпусканию электромагнитного реле Р. При указанных на схеме данных деталей реле времени обеспечивает выдержку 2—2,5 сек. Ток срабатывания электромагнитного реле Р 10—12ма.

Рис. 19. Конденсаторное реле времени с использованием релейного полупроводникового усилителя.

Вначале транзистор Т заперт, тока в обмотке реле нет. Напряжение на конденсаторе постепенно растет. Цепь R₁-Д-R₂ представляет делитель напряжения, в котором элемент Д имеет очень большое сопротивление. Когда напряжение на конденсаторе достигнет точки Зенера, положение резко изменится. Сопротивление Д становится равным нулю и на сопротивлении R₂ появляется напряжение. При этом появляется ток в цепи коллектора и реле Р срабатывает. Выдержка времени зависит от постоянной времени цепи RC и от напряжения срабатывания кремниевого стабилитрона.

Для устойчивой работы схемы рис. 18,б сопротивление R₁ должно быть небольшим, чтобы не возникли релаксационные колебания.

На рис. 19 и 20 изображены схемы конденсаторного реле времени с использованием релейного усилителя на полупроводниковых триодах [Л. 14]. Реле времени рис. 19 работает на принципе заряда конденсатора. Оно состоит из контураRC,включенного в мостовую схему с диодом Д₀ в выходной диагонали моста и релейного полупроводникового усилителя РУ с коллекторной обратной связью. Имеется стабилизированный делитель напряжения (U₀,U_H)на кремниевых стабилитронах ДС₁, ДС₂. Выходной величиной является ток i_н в сопротивлении R_н.

Схема управляется ключом К. При замкнутом ключе К диод Д₀ открыт, конденсатор С разряжен, триод Т₁ заперт (так как к его эмиттерному переходу приложено запирающее напряжение u_р =—U),триод Т₂ открыт, ток i_н имеет максимальное значение.

Выдержка времени начинается с момента размыкания ключа К. После размыкания ключа К диод Д₀ оказывается под обратным напряжением

где u_с — напряжение на конденсаторе С. В момент переключения u_с =0 и диод Д₀ запирается. Конденсатор С начинает заряжаться через сопротивление R.Когда напряжение u_с становится больше U₀, диод Д₀ открывается, ток i_р изменяет направление и начинает увеличиваться по абсолютной величине. Когда ток i_р достигает определенной величины, релейный усилитель РУ переключается в новое состояние: триод T₁ открыт, триод Т₂ закрыт. При этом ток i_н принимает минимальное значение, выдержка времени заканчивается.

Для возвращения схемы в исходное состояние необходимо замкнуть ключ К. При этом конденсатор С разряжается, ток i_р изменяет направление (i_р<0) и становится по абсолютной величине больше тока срабатывания релейного усилителя РУ (характеристика вход— выход этого усилителя имеет гистерезисную петлю). Релейный усилитель переключается в первоначальное состояние (Т₁ закрыт, Т₂ открыт), ток i_н становится максимальным.

Выдержку времени реле можно определить по приближенной формуле

Получение больших выдержек времени связано с увеличением сопротивления R. Чтобы обеспечить при этом точную и устойчивую работу реле, можно последовательно с конденсатором С включить источник импульсного (коммутирующего) напряжения, амплитуда которого 0,5—1,0 в, что существенно меньше U₀. Скважность коммутирующего напряжения должна быть достаточно большой.

Пока диод Д₀ заперт, источник коммутирующего напряжения практически не влияет на состояние схемы. Когда диод Д₀ открывается, очередной импульс коммутирующего напряжения переключает релейный усилитель РУ в новое состояние, в котором он остается за счет обратной связи.

Рис. 20. Конденсаторное реле времени на переменном токе с использованием релейного полупроводникового усилителя.

При использовании коммутирующего напряжения будет наблюдаться разброс значений выдержки времени в пределах периода коммутации t_к напряжения. Когда выдержка времени t>>t_к, это обстоятельство несущественно.

Чтобы получить большие выдержки времени, диод Д₀ должен иметь малый обратный ток. Целесообразно использовать кремниевые диоды (Д206—Д211; Д223А; Д223Б).

Схема реле времени с питанием от сети переменного тока приведена на рис. 20. Схема управляется сигнальным напряжениемuу. При u_у = 0 триод Т₃ открыт. При подаче сигнала управления триод Т₃ запирается, конденсатор С начинает заряжаться. Далее схема работает так же, как схема рис. 19. Таким образом, триод Т₃ выполняет роль ключа К. При снятии сигнального напряжения схема возвращается в исходное состояние.

РЕЛЕ ВРЕМЕНИ НА МАГНИТНЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

Для создания реле времени может быть применен магнитный усилитель в релейном режиме со специальными обратными связями.

В обычном магнитном усилителе с обратной связью в релейном режиме (магнитное реле, рис. 21,а) соотношение между числом витков обмотки обратной связи w_o.c. и числом витков включенных встречно друг другу обмоток переменного тока w_ выбрано таким, что при определенном значении тока I_у = I_кр в обмотке управления w_у происходит скачкообразное изменение тока нагрузки i_н в сопротивлении R_н которое является выходом магнитного реле. При этом значения I_кр при увеличении и при уменьшении управляющего тока I_у несколько отличаются друг от друга, т. е. в статической характеристике магнитного реле имеется петля.

Для перехода от одного установившегося значения к другому требуется определенное время, поэтому можно по аналогии с обычными контактными реле говорить о «времени срабатывания» и «времени отпускания» магнитного реле. Время срабатывания или отпускания магнитного реле зависит в основном от переходных процессов в цепи управления и цепи обратной связи.

Рис. 21. Бесконтактные магнитные реле.а — схема обычного дроссельного магнитного реле; б — схема реле времени с короткозамкнутой обмоткой.

Регулировать временные характеристики магнитных реле можно путем изменения параметров управляющей цепи (включение дополнительных сопротивлений, емкостей, индуктивностей) и другими обычными способами замедления срабатывания и отпускания контактных реле. Обычно выдержка времени при этом будет изменяться в сравнительно узких пределах. Кроме того, эти способы связаны с увеличением мощности управления, что в ряде случаев нежелательно.

Для получения выдержки времени до 20сек могут использоваться бесконтактные магнитные реле времени с короткозамкнутой обмоткой. Одна из возможных схем такого реле времени приведена на рис. 21,б. Кроме обмоток управления w_у, обратной связи w_o.с. имеются две обмотки, служащие для увеличения инерционности

реле. Обмотка w_к.з2, выполненная проводом диаметром 1 мм, замкнута накоротко; обмотка w_к.з1 выполненная тонким проводом, замкнута на реостат R₁ с помощью которого время срабатывания реле регулируется в пределах 0,2—0,4 сек. В качестве исполнительного реле Р используется малогабаритное электромагнитное реле, например типа РСМ-2. Обмотки выполнены на тороидальных сердечниках диаметром 42/30 мм и высотой 3 мм, изготовленных из сплава 79НМ.

Бесконтактные магнитные реле времени с коротко- замкнутой обмоткой миниатюрны, просты, надежны. Однако стабильность выдержки времени сравнительно невелика. Чтобы повысить стабильность выдержки времени, принимают ряд специальных мер.

Так как значение тока срабатывания бесконтактного магнитного реле существенно стабильнее тока отпускания, целесообразно использовать реле, создающее выдержку времени при срабатывании. Стабильность выдержки времени можно повысить, если применять большие коэффициенты запаса по току срабатывания, подбирать суммарное активное сопротивление цепи нагрузки так, чтобы оно было существенно меньше индуктивного сопротивления обмоток переменного тока в режиме холостого хода, применять полупроводниковые диоды с очень малыми обратными токами и т. д. Существенное влияние на стабильность выдержки времени оказывает температура. Для частичного устранения этого недостатка могут применяться компенсационные сопротивления.

Для получения больших выдержек времени в бесконтактных магнитных реле может быть применена гибкая отрицательная обратная связь по первой производной [Л. 17, 18]. Мощность управления при этом способе почти не меняется. Гибкая обратная связь может быть осуществлена или при помощи конденсатора С_д (рис. 22,а), или при помощи дифференцирующего трансформатора Т (рис. 22,б).

В схеме рис. 22,а до подачи в обмотку w_у сигнала, вызывающего срабатывание магнитного реле, через обмотку w_o.с протекает максимальный ток нагрузки i_н, вызывая на сопротивлении нагрузки R_н падение напряжения U_н. Последовательно с сопротивлением R_н или вместо него может включаться исполнительное электромагнитное реле. Конденсатор С_д заряжается до напряжения U_н и, если не учитывать ток четных гармоник, тока в обмотке w_д не будет, пока напряжение U_н не начнет изменяться.

При подаче управляющего сигнала в обмотку w_y ток нагрузки i_н начинает уменьшаться, падает напряжение на сопротивлении R_н и конденсатор С_д начинает разряжаться. В обмотке w_д появляется ток i_д, который

Рис. 22. Принцип устройства реле времени на магнитных усилителях. а — схема магнитного реле времени с емкостной гибкой обратной связью; б — схема магнитного реле времени с трансформаторной гибкой обратной связью.

используется для замедления процесса. С этой целью обмотка w_д включается таким образом, что создает намагничивающую силу, направленную противоположно намагничивающей силе обмотки управления, и как бы «мешает» срабатыванию.

В результате срабатывание магнитного реле происходит с замедлением.

В схеме рис. 22,б гибкая связь осуществляется через дифференцирующий трансформатор Т. Когда при появлении сигнала в обмотке управления ток нагрузки i_н начинает уменьшаться, во вторичной обмотке трансформатора появляется э. д. с. взаимоиндукции, которая вызывает в цепи w_д ток, действие которого замедляет срабатывание магнитного реле.

Схемы рис. 22,а и б дают возможность создать бесконтактное магнитное реле времени с регулируемой выдержкой времени. Однако практическое использование этих простых схем затруднено тем обстоятельством, что получаемая выдержка времени резко зависит от величины управляющего тока I_у и величины питающего переменного напряжения U_ .  Кроме того, для получения выдержек времени порядка 5—10 сек необходимо применять конденсаторы большой емкости (сотни микрофарад) или мощные дифференциальные трансформаторы. В ряде случаев может оказаться нежелательным наличие замедления, как при срабатывании, так и при отпускании магнитного реле.

М. С. Микадзе и И. Б. Негневицким было предложено [Л. 17] для устранения этих недостатков усиливать сигнал гибкой отрицательной обратной связи с помощью дополнительного магнитного усилителя. Предложенная схема изображена на рис. 23. Эта схема представляет собой усовершенствованную схему рис. 22,а.

В схеме рис. 23 сигнал емкостной гибкой обратной связи усиливается промежуточным магнитным усилителем. Это дает возможность избежать применения конденсаторов большой емкости, осуществить компенсацию влияния U_ и I_у на выдержку времени и сравнительно просто регулировать в широких пределах выдержку времени. На выходе магнитного реле времени установленно многоконтактное электромагнитное реле Р, которое и осуществляет коммутацию управляемых цепей. Это обусловлено тем, что реле времени может применяться в различных системах автоматики, во многих из которых непосредственное включение магнитного реле может вызвать ряд затруднений из-за специфических особенностей этого элемента автоматики (наличие некоторого минимального тока в отключенном режиме, изменение тока нагрузки с изменением управляющего тока). Для исключения вибрации якоря контактного реле при питании выпрямленным током обмотка реле P шунтирована конденсатором С_ш.

Гибкая обратная связь в схеме рис. 23 осуществлена путем подачи выпрямленного напряжения обратной связи через дифференцирующую емкость С_д на управляющую обмотку w_y2 усилителя гибкой связи, нагрузкой которого является обмотка гибкой связи w_д магнитного реле. Питание усилителя гибкой связи осуществляется через трансформатор Т от сети U_.

Выдержка времени регулируется сопротивлением R_ш. При изменении R_ш изменяется та часть разрядного тока конденсатора, которая попадает в обмотку w_у2.

В схеме осуществлена компенсация влияния напряжения питания  U_ на выдержку времени. С этой целью на сердечниках магнитного реле имеется обмотка смещения w_cм2, которая питается от сети переменного тока через двухполупериодный выпрямитель B₃, выход которого для освобождения тока i_см1 от четных гармоник зашунтирован конденсатором С₁. Число витков обмотки w_см1 и добавочное сопротивление R_см1 подобраны так, что частично компенсируется влияние изменения U_ на выдержку времени.

В схеме рис. 23 осуществлена компенсация влияния изменения величины управляющего тока I_y1 на выдержку времени. Для этого введены две обмотки w_cм2 и w_cм3 расположенные на сердечниках магнитного усилителя гибкой связи. Обмотка w_cм2 питается от цепи смещения w_cм1, а на обмотку w_cм3 питание подается от цепи управляющего тока через регулировочное сопротивление R_у1 и сопротивление R₃. Ток i₄ в обмотке w_cм2 подмагничивает магнитный усилитель в том же направлении, что и ток в обмотке обратной связи w_o.c2, а ток i ₃ в обмотке w_см3 — в противоположном направлении. Параметры цепей w_cм2 и w_см3 подобраны так, что при номинальном управляющем токе магнитные потоки, создаваемые обмотками w_см2 и w_см3, равны. При отклонении управляющего сигнала от номинальной величины одна из обмоток (w_см2 или w_см3) оказывает преобладающее действие, сдвигая рабочую точку на характеристике магнитного усилителя обратной связи так, что влияние изменения управляющего тока компенсируется.

Благодаря введению компенсирующих цепей схема рис. 23 обеспечивает регулируемую .выдержку времени в пределах 0,5—20 сек с точностью ±5% при колебаниях напряжения сети и управляющего тока в пределах ±15%. Выдержки времени 20—30сек могут быть получены с несколько меньшей точностью.

Контакт реле Р в цепи w_y2 размыкает цепь w_y2 после срабатывания магнитного реле. Благодаря этому магнитное реле при наличии выдержки времени на срабатывание отпускает с малой выдержкой (0,2—0,3 сек).

Реле времени на магнитных усилителях появились недавно и в промышленности пока используются редко.

ГЕНЕРАТОРНЫЕ РЕЛЕ ВРЕМЕНИ

Генераторные реле времени состоят из низкочастотного генератора импульсов и сумматора (счетчика импульсов) (рис. 24). Генератор вырабатывает импульсы с определенной частотой следования. Счетчик импульсов после суммирования заданного числа импульсов выдает сигнал во внешнюю цепь. Изменение выдержки времени осуществляется настройкой сумматора на соответствующее число импульсов. Стабильность выдержки времени определяется стабильностью генератора импульсов.

Рис. 24. Блок-схема генераторного реле времени.

В качестве сумматора может быть использован электромеханический счетчик импульсов (например, шаговый искатель), счетчик на декатронах, тиратронах тлеющего разряда, ферритовых элементах и т. д.

Генераторные реле времени имеют очень широкий диапазон регулирования выдержки времени (от долей секунды до нескольких часов).

РЕЛЕ СЛУЧАЙНОГО ВРЕМЕНИ

В последние годы появилась возможность использования реле времени в качестве блоков моделирующих установок. Это связано с развитием исследований в области надежности техники и в области научной организации труда. При исследовании надежности технических устройств рассматривают случайную величину: время работы до появления отказа. В некоторых задачах научной организации труда интересуются аналогичной случайной величиной — временем выполнения работы исполнителем, наугад выбранным из множества лиц данной профессии. Для моделирования в области надежности технических устройств и в области организации труда необходимо воспроизводить сигналы через интервалы времени, являющиеся возможными значениями случайных величин, распределенных по заданному закону. Назовем для краткости генератор случайных интервалов времени до появления сигнала «реле случайного времени». Ранее такие приборы почти не использовались, опыта их создания нет.

Рис. 25. Реле случайного времени. а — процессы, происходящие в реле случайного времени; б, в — схемы, коммутируемые в генераторе линейных случайных процессов (б — при подготовительном такте; в — при рабочем такте).

Величина математического ожиданий начального значения m_а регулируется потенциометром П₁ величина дисперсии Д_а начального значения — сопротивлением R₁.Одновременно случайное напряжение суммируется на усилителе Е₂ с постоянным напряжением, пропорциональным математическому ожиданию (среднему значению) m_в скорости В линейного случайного процесса и подается через цепь безынерционноговвода начальных условии на конденсатор С₂ усилителя И₂. Среднее значениетв этого напряжения можно регулировать потенциометром П₂, а дисперсию Д_в — изменением сопротивления R₂.

С началом рабочего такта изображенная на рис. 25,б схема подачи случайного напряжения на конденсатор С₁ выключается и на этом конденсаторе сохраняется напряжение, которое было на нем в момент отключения схемы. Безынерционный ввод случайного напряжения на конденсатор С₂ продолжается. Через заданное время конденсатор С₂ подключается ко входу усилителя И₁. На рис. 25,визображена схема, которая при этом образуется. В момент подключения конденсатора С₂ на нем имеется мгновенное значение случайного напряжения, пропорционального возможному значению случайной величины В. С момента подключения конденсатора С₂ ко входу интегрирующего усилителя И начинается генерирование реализации случайной функции.

Выработанная генератором случайных процессов реализация u(t) подается на схему сравнения. В момент совпадения напряжений u(t) и U_w=const срабатывает исполнительное электромагнитное реле, управляющее внешней цепью. Более подробные сведения об устройстве и применении приборов, создающих случайную выдержку времени, можно найти в [Л. 10].