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

РЕЛЕ ВРЕМЕНИ С ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИМ ЗАМЕДЛЕНИЕМ

В реле времени этого типа для получения замедления используется тепловая инерция тел, нагреваемых электрическим током. При этом обычно тепловое действие тока преобразуется в механическое перемещение, которое и используется для замыкания или размыкания управляющих внешней цепью контактов. Так как в данных реле используется тепловое действие тока, то в дальнейшем изложении они часто будут называться тепловыми реле времени.

Тепловые реле времени обычно имеют незначительные размеры и вес, просты по конструкции и надежны в работе. Эти реле потребляют незначительную мощность, почти не требуют ухода, могут быть герметизированы. Однако все реле этого типа требуют довольно значительного времени для возвращения в исходное состояние после применения. Поэтому их можно применять лишь в схемах, где между включениями реле времени имеются значительные интервалы покоя. Кроме того, редко удается получить выдержку времени с ошибкой менее 5%.

Для уменьшения влияния колебаний температуры окружающей среды тепловые реле времени очень часто снабжаются термокомпенсаторами.

Следует ожидать, что тепловые реле времени благодаря своей простоте и дешевизне в ближайшие годы будут получать все большее распространение в промышленной и бытовой автоматике.

БИМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ РЕЛЕ ВРЕМЕНИ

В биметаллических реле времени используется способность термобиметаллической пластины деформироваться при изменении ее температуры.

Термобиметаллическая пластина состоит из двух слоев металлов или сплавов с разными температурными коэффициентами линейного расширения и обычно с разными модулями упругости и толщинами слоев. Промышленность изготовляет биметаллические полосы и ленты толщиной от 0,2 до 1,5 мм разных марок, отличающихся металлом или сплавом активного (т. е. с повышенным температурным коэффициентом линейного расширения) и пассивного компонента. Обычно в качестве пассивного материала употребляются инвар или ферроникель (42% Ni), а в качестве активного — латунь, константан, никель, железо или сплавы железа с никелем и молибденом. Некоторые технические данные биметаллов разных марок приведены в ГОСТ 5198-50. Предельная температура нагрева термобиметаллов разных марок составляет 150—650° С.

Закрепленная на одном конце пластинка из термобиметалла, который в дальнейшем мы будем называть просто биметаллом, при нагревании будет изгибаться в сторону материала с меньшим температурным коэффициентом линейного расширения. В биметаллическом реле времени нагрев пластины осуществляется управляющим током. Выдержка времени определяется временем деформации пластины до момента замыкания связанных с ней исполнительных контактов.

Даже при небольших рабочих температурах нагрева нового биметалла в нем могут появляться остаточные деформации. Поэтому для достижения постоянства рабочих характеристик готовые биметаллические реле времени часто подвергают тренировке, заключающейся в попеременном нагреве и охлаждении до температур, несколько больших, чем рабочие пределы изменения температуры.

Способ нагрева биметаллической пластины определяется величиной требуемой выдержки времени, которая в реле рассматриваемого типа может быть от десятых долей секунды до нескольких минут.

Для получения выдержки времени порядка нескольких минут биметаллическая пластина и нагревательный элемент помещаются в общей камере, но отдельно друг от друга. Располагать нагревательную обмотку непосредственно на пластине в этом случае нерационально, так как при этом увеличиваются размеры пластины, и затрудняется ее заделка. Для сокращения времени охлаждения реле нагревательный элемент изготовляют так, чтобы теплоемкость его была минимальной, и рас
полагают элемент выше биметаллической пластины. Биметаллические реле могут обеспечивать выдержку времени до 20—30 мин.

На рис. 35 схематически показаны примеры типовых конструкций биметаллических термореле наиболее

распространенного вида — с нагревательной обмоткой, расположенной на биметаллической пластине. Реле, изображенное на рис. 35,а, имеет один замыкающий контакт. На биметаллической пластине 1 укреплен подвижный контакт, а на плоской пружине 2 — неподвижный контакт.

В изображенном на рис. 35,б биметаллическом реле имеется один переключающийся контакт. На биметаллической пластине 3 укреплен изоляционный упор 4, который при изгибании биметаллической пластины давит на среднюю контактную пружину и переключает контакты.

Обычно биметаллические реле времени имеют не более двух контактных групп. Если нужно увеличить число коммутируемых цепей, то в схеме ставится электромагнитное промежуточное реле.

Рис. 35. Биметаллические реле времени.

В изображенных на рис. 35,а и б конструкциях биметаллических реле времени при изменении температуры окружающей среды меняются начальный прогиб биметаллической пластины, а следовательно, и выдержка времени. Поэтому часто применяют различные способы термокомпенсации. Чаще всего для термокомпенсации контактную пружину 2 с «неподвижным» контактом так же делают из термобиметалла (рис. 35,в). Биметаллическую пластину 7 в этом случае называют компенсационной. Она в отличие от рабочей пластины8 не нагревается током. Благодаря наличию компенсационной пластины в исходном (т. е. до включения нагревательной обмотки) состоянии реле зазор между контактами мало меняется при колебаниях окружающей температуры. Однако нагревательная обмотка 6, расположенная на рабочей пластине 8, уменьшает ее эластичность, что может снизить точность компенсации влияния колебаний температуры. Чтобы повысить точность компенсации, применяют следующие способы:

а)   Биметаллическую пластину 7 делают несколько толще пластины8. Необходимое увеличение толщины пластины 7 подбирают опытным путем, стараясь, чтобы зазор между контактами был постоянным при колебаниях температуры среды.

б)    Рабочая и компенсационная пластины изготовляются совершенно идентичными. Это достигается изготовлением обеих пластин из одной заготовки, так как соотношения толщин слоев биметалла и их свойств не остаются строго постоянными даже в пределах одного листа. На компенсационную пластину наносится такая же обмотка 5, как и на рабочую (рис. 35,в). Эта дополнительная обмотка является «ложной», так как она не нагревается током, а служит лишь для создания равных жесткостей обеих биметаллических пластин.

Недостатком рассмотренных конструкций биметаллических реле времени является медленное замыкание и размыкание контактов, что приводит к подгоранию контактов и снижает разрывную мощность. Чтобы устранить этот недостаток, биметаллические реле иногда помещают в вакуум или применяют различные способы ускорения срабатывания и отпускания контактов. В качестве примера на рис. 35,г схематически изображена конструкция биметаллического реле времени, в котором конец биметаллической рабочей пластины связан с прыгающей пружиной, что обеспечивает очень быстрое замыкание и размыкание контактов. Иногда биметаллическое реле времени применяют в сочетании с промежуточным электромагнитным реле.

Время срабатывания и отпускания биметаллических реле обычно подбирается экспериментальным путем, так как очень трудно найти аналитическую зависимость изменения во времени температуры биметаллической пластины при включении нагревательной обмотки под напряжение (или при отключении этой обмотки). Это связано с тем, что:

1. биметаллическая пластина и расположенная на ней обмотка представляют собой неоднородное тело;
2. температура перегрева пластины неравномерна по ее длине.

Существуют различные расчетные формулы, позволяющие сократить число экспериментов, но в них обязательно входят опытные коэффициенты.

Стабильность выдержки времени у биметаллических реле невелика. Ошибка замедления составляет 5—20%. Поэтому биметаллические реле времени используются лишь в случаях, когда стабильность выдержки времени не имеет существенного значения.

РЕЛЕ ВРЕМЕНИ С УДЛИНЯЮЩЕЙСЯ НИТЬЮ

Одна из конструкций такого реле схематически изображена на рис. 36,а. На металлической плате 1 укреплены изолированные от платы стойки 2, к которым подвешена металлическая нить 3. Нить натянута укрепленной на изолированной стойке 4 плоской пружиной 5 с контактом 6. В изолированную стойку 7 ввинчен контактный винт 8. Пока реле не включено, контакты 6 и 8 разомкнуты.

Рис. 36. Реле времени с удлиняющейся нитью.

Когда нить нагреется до определенной температуры , контакты 6 и 8 замкнутся. Чтобы обеспечить некоторое контактное давление, нить обычно нагревают до температуры . Время с момента включения тока до замыкания контактов составляет время срабатывания реле.

Время срабатывания рассматриваемого реле зависит от силы тока в нити. При увеличении силы тока нагрев нити до температуры происходит быстрее, т. е. время срабатывания уменьшается. Одновременно увеличение силы тока в нити влечет за собой увеличение времени отпускания реле, т. е. времени остывания нити от температуры, до которой она нагрета током, до температуры, при которой происходит размыкание контактов. Уменьшение силы тока в нити оказывает обратное действие.

Для изготовления нити применяют высокопрочные сплавы с большим температурным коэффициентом линейного расширения и значительным удельным электрическим сопротивлением. Этим требованиям удовлетворяют сплавы платины с иридием или серебром, а также сплавы нихром, манганин и мегапир. Так как прочность материала нити при повышенных температурах значительно уменьшается, то нагрев нити осуществляют до температуры не выше 220—280° С.

При изменении температуры окружающей среды длина нити, а следовательно, и время срабатывания и отпускания реле могут изменяться. Для устранения влияния окружающей температуры применяют различные способы температурной компенсации. Чаще всего это достигается путем подбора материала для каркаса реле с соответствующим коэффициентом линейного расширения. Например, плату реле рис. 36,а изготовляют из материала, имеющего такой же температурный коэффициент линейного расширения, как и материал нити. Может быть применен и другой способ. Концы нити крепятся на специальных пластинах в точках m и n, а эти пластинки закреплены на плате в точках c и d (рис. 36,б).

Расстояния l' и l'' между точками крепления нити и пластинок подбираются таким образом, чтобы удовлетворялись соотношения:

где — температурный коэффициент расширения материала платы;

₁— тоже материала нити;

₂ — то же материала пластинок.

Возможны и другие способы температурной компенсации. Благодаря температурной компенсации удается добиться того, чтобы выдержка времени менялась лишь на несколько процентов при изменении окружающей температуры на несколько десятков градусов.

Время срабатывания и отпускания реле с удлиняющейся нитью обычно лежит в пределах 0,3—20 сек. Изготовление реле с большей выдержкой времени связано с рядом конструктивных трудностей.

Реле с удлиняющейся нитью применяется лишь в тех случаях, когда не требуется большой точности выдержки времени, так как ошибка выдержки времени у этих реле составляет 5—25%.

Мощность управления этих реле составляет 0,5—1 вт, мощность, коммутируемая контактами, 10—60 вт.

РЕЛЕ ВРЕМЕНИ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТЕРМОРЕЗИСТОРАХ

Терморезисторами (термисторами) называются объемные полупроводниковые нелинейные сопротивления, величина электрического сопротивления которых резко уменьшается при увеличении температуры. Несмотря на то, что эти приборы появились сравнительно недавно (с 1933 г.), они получили уже широкое распространение в технике, причем их роль и значение все время возрастают. Это связано с такими преимуществами термосопротивлений, как высокий уровень температурной чувствительности, малые размеры, предельная простота устройства, стабильность характеристик во времени, долговечность в работе и почти полное отсутствие необходимости специального ухода во время эксплуатации.

В настоящее время предприятиями радиотехнической промышленности серийно изготовляется ряд типов терморезисторов. Сведения об их основных характеристиках помещены в каталогах.

В содержащей терморезистор электрической цепи сила тока является сравнительно медленно возрастающей функцией времени. Это свойство принципиально позволяет превратить любое электрическое реле с помощью терморезисторов в реле времени.

Например, если терморезистор включить последовательно с электромагнитным реле (рис. 37,а), то посредством этой элементарной схемы можно получить регулируемую в широком диапазоне выдержку времени при срабатывании реле. Характер изменения тока с временем в такой схеме для различных значений напряжения питания показан на рис. 37,б. Из рис. 37,б следует, что при токе срабатывания реле, например 10 ма, замедление срабатывания реле можно менять в пределах 0,8—7 сек путем изменения напряжения питания схемы от 60 до 30 в. Обычно в схему рис. 37,а, вводится добавочное сопротивление R₁ ограничивающее силу тока в цепи и контакты, замыкающие терморезистор после срабатывания реле Р (на схеме не показаны).

С точки зрения простоты регулирования схемы рис. 37,а в ней лучше всего использовать терморезисторы, вольт-амперная характеристика которых не имеет падающего участка и идет примерно параллельно оси токов. Подбирая соответствующие термосопротивления, можно обеспечить диапазон выдержки времени от долей секунды до нескольких десятков секунд.

Рис. 37. Реле времени на термосопротивлениях. а — простейшая схема; б — изменение тока со временем в цепи а при различных значениях напряжения питания; в — схема с термокомпенсации; г —простейшая схема на термосопротивлении с косвенным подогревом.

Достаточно стабильную выдержку времени в реле времени на терморезисторах можно получить лишь при применении стабилизированных источников питания. Кроме того, на стабильность выдержки времени могут оказывать большое влияние частота включения реле и колебания температуры среды, окружающей термосопротивление.

Если реле времени часто включается, то терморезистор не успевает остывать до первоначальной температуры, в результате чего выдержка времени при срабатывании реле уменьшается. Поэтому в схеме целесообразно предусмотреть закорачивание терморезистора после срабатывания реле (контакты Р1 на рис. 37,в).

При изменении температуры среды, в которой находится терморезистор, его сопротивление в холодном состоянии меняется, из-за чего меняется и время срабатывания реле. Существуют два пути для уменьшения чувствительности схемы к изменениям температуры окружающей среды.

Во-первых, можно применять предварительный нагрев терморезистора специальной подогревной обмоткой до температуры, значительно превышающей температуру окружающей среды. При этом небольшие колебания температуры среды будут менее заметны. Кроме того, появляется возможность добавочного регулирования выдержки времени путем изменения мощности, рассеиваемой в подогревной обмотке.

Другой путь состоит в применении компенсационных схем. Например, частичную компенсацию влияния колебаний температуры внешней среды на выдержку времени реле времени на терморезисторах можно осуществить путем применения делителя напряжения, составленного из постоянного сопротивления R₂ и добавочного термосопротивления R_т1 мощность рассеяния которого больше, чем у основного терморезистора R_т (рис. 37,в).

Схема работает следующим образом. При повышении температуры внешней среды уменьшается величина активного сопротивления основного терморезистора

R_т, что может привести к увеличению тока в обмотке реле Р. Однако одновременно уменьшается сопротивление добавочного терморезистора R_т1 из-за чего уменьшается напряжение, подаваемое с делителя R₂—R_т1 на цепь из R_т и Р, что компенсирует влияние температуры среды на терморезистор R_т.Потенциометр R в схеме рис. 37,в служит для регулирования выдержки времени.

Реле времени может быть создано и на терморезисторе с косвенным подогревом (рис. 37,г). При замыкании цепи нагревается подогревная спираль терморезистора, вследствие чего сопротивление подогревного элемента резко уменьшается, ток в обмотке электромагнитного реле Р увеличивается и реле срабатывает. РеостатомRможно регулировать ток в подогревной спирали терморезистора R_т.п., а следовательно, и выдержку времени. Для получения стабильных выдержек времени необходимо применять рассмотренные выше меры.

В схемах промышленной автоматики реле времени на терморезисторах пока еще применяют редко.

ТЕПЛОВЫЕ РЕЛЕ ВРЕМЕНИ С РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ЖИДКОСТЬЮИЛИ ГАЗОМ

В реле данного вида для получения выдержки времени используется тепловая инерция жидкостей или газов. Простейшим примером подобных реле может служить имеющий контакты ртутный термометр, ампула 1 которого помещена внутрь нагреваемого управляющим током элемента 2 (рис. 38,а). При нагревании ртуть поднимается и замыкает контакты 3. Объем ампулы 1 (шарика), необходимый для замыкания контактов, может быть найден из приближенного соотношения

где h— расстояние между контактом и уровнем ртути в выключенном реле;

d— внутренний диаметр капилляра;

— температура ртути, при которой происходит замыкание контакта.

Реле времени вида рис. 38,а можно применять лишь при очень малых токах во внешней цепи. Для практического использования в схемах промышленной автоматики более удобен схематично изображенный на рис. 38,б вариант конструкции реле времени, принцип действия которого аналогичен реле рис. 38,а.


В изображенном на рис. 38,б реле времени внутрь нагревательного элемента 4 помещен металлический баллон 5 с ртутью, имеющий капилляр 6. При включении контакта К уровень ртути от нагревания повышается и через определенное время происходит замыкание ртути с верхним регулируемым контактным винтом 7. Нагревательный элемент при этом шунтируется и обмотка электромагнитного реле Р оказывается под полным напряжением сети. Реле Р срабатывает и своими контактами шунтирует ртутный контакт и нагревательный элемент 4. Реле остается во включенном положении, а ртуть через некоторое время возвращается в исходное положение. После прекращения управляющего сигнала и остывания ртути реле времени готово к повторному включению.

С помощью реле времени рис. 38,б можно получать замедления до 5—6 мин. Выдержку времени можно увеличить, если между нагревательным элементом 4 и баллоном с ртутью 5 поставить металлическую втулку.

На рис. 38,в изображено реле времени с расширяющимся газом. Нагрев газа производится находящимся в правой полости электронагревательным элементом. Расширяющийся газ вытесняет часть ртути в левую колбу, в результате чего контакты 8 и 9 размыкаются.

Рис. 38. Реле времени с расширяющейся жидкостью или газом. а — простейшее реле с ртутным термометром; б — вариант конструкции ртутного теплового реле времени; в — реле времени с расширяющимся газом.

В изображенных на рис. 38 реле времени очень сильно проявляются основные недостатки тепловых реле: большое время возврата в исходное положение и медленное переключение контактов.

РЕЛЕ ВРЕМЕНИ С РАЗОГРЕВОМ КАТОДА ЭЛЕКТРОННОЙ ЛАМПЫ

На рис. 39 изображена схема реле времени, в котором используется тепловая инерция подогревного катода электронной лампы. При разомкнутом контакте К анодного тока нет и электромагнитное реле Рнаходится в положении покоя. При замыкании контактов К катод лампы начинает разогреваться. При этом требуется некоторое время, чтобы ток эмиссии достиг величины, достаточной для срабатывания реле Р. Регулирование выдержки времени срабатывания производится с помощью реостата R, включенного в цепь накала лампы. При размыкании контакта К анодный ток также спадает не сразу, а лишь по мере охлаждения катода. Схема дает возможность получить время срабатывания и отпускания порядка 5—30 сек. Это время определяется экспериментальным путем. Стабильность выдержки времени невелика.