Реле времени (с выходом на симисторе)

 

Изобретение относится к силовой автоматике и может быть использовано в автоматических выключателях. Технический результат - снижение аппаратурных затрат и повышение надежности. Реле содержит источник напряжения переменного тока, генератор импульсов, счетчик импульсов, узел сброса, усилитель, состоящий из входного транзистора, узел управления, источник напряжения постоянного тока, каскад коммутации полезной нагрузки, два диода и фильтр постоянного тока. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к элементам силовой автоматики, к полупроводниковым таймерным выключателями, питаемым от сети переменного тока.

Известны реле времени с выходом на контактах электромагнитных реле [1], [2]. Известны также аналогичные устройства, питаемые от сети переменного тока, с выходом на симисторе, но содержащие промежуточные реле электромагнитного типа для включения - выключения тока в цепи управляющего электрода симистора /симметричного тиристора, триака/ [3].

Техническим результатом изобретения является снижение аппаратурных затрат и повышение надежности, долговечности путем исключения электромагнитных реле из устройств.

Сущность изобретения выражается в том, в реле времени, содержащем две шины для подключения источника напряжения переменного тока, соединенные последовательно генератор импульсов, счетчик импульсов и каскад коммутации полезной нагрузки, а также узлы питания и управления: источник напряжения и фильтр постоянного тока, узел сброса, узел управления с триггером состояния реле времени, причем каскад коммутации полезной нагрузки выполнен на основе симистора, анод которого через нагрузки соединен с одной из шин источника направления переменного тока, катод - с другой его шиной, управляющий электрод симистора соединен с эмиттерами двух транзисторов, образующих усилитель разнополярных импульсов и обладающих различным типом проводимости, коллектора которых соединены с соответствующими шинами источника напряжения постоянного тока, имеющего среднюю точку, соединенную с катодом симистора, базы транзисторов - с общей точкой последовательно соединенных конденсатора и резистора дифференцирующей цепи, второй вывод которого соединен с катодом симистора, а вторая обкладка конденсатора - с коллектором входного транзистора, базовая цепь которого служит входной цепью каскада коммутации, эмиттер - с катодом симистора, коллектор входного транзистора соединен также через резистор с первой шиной источника напряжения переменного тока и непосредственно - с катодом кремниевого стабилитрона, анод которого соединен с катодом симистора, промежуток управляющий электрод-катод симистора шунтирован резистором, на вход каскада коммутации подключены катодами два диода, аноды которых соединены соответственно с выводом счетчика импульсов и с инверсным выходом триггера состояния реле времени, входная шина узла сброса соединена с анодом симистора, а выходная - с R-входами счетчика импульсов и узла управления, общие шины генератора импульсов, счетчика импульсов, узлов сброса и управления соединены с катодом симистора, являющимся общей точкой схемы реле времени, между одной из шин источника напряжения постоянного тока и цепями микросхем, входящих в состав генератора импульсов, триггера и счетчика импульсов, включен фильтр постоянного тока, общая шина которого соединена с общей точкой схемы реле времени.

Другое отличие состоит в том, что в качестве источника напряжения постоянного тока служит преобразователь переменного тока в постоянный. Преобразователь содержит ограничительный конденсатор, два диода, два накопительных конденсатора, два стабилитрона. Одна из обкладок ограничительного конденсатора соединена с первой шиной источника напряжения переменного тока, вторая - с анодом и катодом диодов, катод и анод которых соединены соответственно с катодом первого стабилитрона и анодом второго стабилитрона, каждый стабилитрон шунтирован одним из накопительных конденсаторов, анод первого стабилитрона и катод второго стабилитрона соединены вместе и образуют среднюю точку, а противоположные электроды стабилитронов - положительную и отрицательную шины источника напряжения постоянного тока, причем вторая шина источника напряжения переменного тока соединена со средней точкой.

Третье отличие состоит в том, что узел управления выполнен так, чтобы управляющую кнопку /кнопку управления/ можно было использовать как для пуска, так и для прерывания тока в полезной нагрузке [т.е. для прерывания ранее заданной выдержки времени] , а именно: узел управления выполнен на RS-триггере с двумя RC-цепями, подключенными резисторами к инертному и прямому выходам триггера, в него введены также резистор и конденсатор, резистор включен между общей точкой и S-входом триггера, соединенным через замыкающий контакт кнопки управления с обкладкой конденсатора первой RC-цепи, вторая обкладка которого соединена с общей точкой реле времени, R-вход триггера через средний и размыкающий контакты второй группы контактов кнопки соединен с выходом узла сброса, упомянутые контакты зашунтированы конденсатором, обкладка конденсатора второй RC-цепи соединена с замыкающим контактом второй группы контактов, вторая обкладка конденсатора второй RC-цепи соединена с общей точкой реле времени.

Четвертое отличие состоит в том, что, с целью сенсорного или дистанционного управления реле времени, узел управления выполнен на D-триггере, D-вход которого соединен с инверсным выходом D-триаггера, S-вход - с общей шиной [общей точкой реле времени], R-вход - с выходной шиной узла сброса, в узел управления введены последовательно соединенные источник сенсорного /дистанционного/ сигнала управления и формирователь импульса на счетном входе триггера и включенный параллельно выходу узла сброса промежутком коллектор-эмиттер транзистор, база которого через резистор подключена к выходу источника сигнала управления, а эмиттер - к общей точке схемы реле времени.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема реле времени, раскрывающая первое, второе и третье отличия, на фиг. 2 - принципиальная схема части устройств реле времени с сенсорным или дистанционным управлением [4-е отличие]. Обозначения элементов реле времени: 1 - источник напряжения постоянного тока, 2 - фильтр постоянного тока, 3 - узел сброса, 4 - генератор счетных импульсов, 5 - счетчик импульсов, 6 - узел управления, 7 - электронное устройство, дополняющее симистор 8 до каскада коммутации полезной нагрузки, 9 - гнезда для подключения полезной нагрузки, 10 - входной транзистор каскада коммутации полезной нагрузки, 11 - резистор в коллекторной цепи входного транзистора, 12 - кремниевый стабилитрон, 13 - конденсатор дифференцирующей цепи, 14 - резистор той же цепи, 15 - транзистор усилителя разнополярных импульсов, 16 - второй транзистор того же усилителя, 17 - резистор на выходе усилителя разнополярных импульсов, 18 - токоограничительный конденсатор, входящий в состав преобразователя 1, 19 - первый диод, 20 - второй диод, 21 - 24 - фильтрующие и ограничительные по напряжению элементы преобразователя, заменяющего источник постоянного тока: 21, 23 - накопительные конденсаторы, 22 и 24 - кремниевые стабилизаторы, 25 - 28 - элементы узла сброса, 25, 28 - конденсаторы, 26 - диод, 27 - делитель напряжения /два последовательного включенных резистора/, 29 и 30 - первая и вторая шины источника напряжения переменного тока, причем 30 - общая схема /или общая шина/ реле времени, 31 - диод на выходе узла управления/6/; 32 - триггер состояния реле времени, входящий в узел управления /6/; 33 и 34 - входы сброса микросхем [1], [5] счетчика импульсов и триггера 32; 35 и 35' - соответственно кнопка управления и газосветная лампа, подсвечивающая кнопку в выключенном состоянии тока полезной нагрузки; 36 - 37 - RC-цепи /интегрирующие цепи/, выключенные на выходах триггера 32 реле времени, исполненном в третьем варианте /отличии/; 38 и 39 - резистор и конденсатор; 40 - вход каскада коммутации; 41 - связь управляющего электрода симистора с выходом усилителя разнополярных импульсов, 42 - источник сенсорного /дистанционного/ сигнала, 43 - формирователь импульса на счетном входе триггера 32; 44 - транзистор, выполняющий функцию элемента "НЕ" на входах 33 и 34. Генератор счетных импульсов 4 может быть собран по любой схеме с постоянной или переменной /регулируемой/ частотой следования импульсов, например, по одной из схем мультивибратора или автогенератора [6]. Для конкретности на фиг. 1 представлена схема мультивибратора, состоящая из RS-триггера, двух конденсаторов /C1 и C2/, двух диодов /D1 и D2/, двух резисторов /R1 и R2/ и одного переменного резистора /R3 /. Резисторы R3 и R4, используемые в узле управления 6, улучшает работу триггера при его КМОП-исполнении. D3-диод, включенный на выходе счетчика импульсов катодом ко входу 40 каскада коммутации нагрузки.

Когда на инверсном выходе триггера 32 логическая "1" /триггер в состоянии 0 /, через базовую цепь транзистора 10 протекает ток, и промежуток эмиттер-коллектор его шунтирует стабилитрон: все напряжение переменного тока, действующее между шинами 29 и 30, падает на резистор 11: симистор выключен, поскольку в его управляющей цепи нет тока управления. Ток в нагрузке 9 отсутствует. В параллельной цепи переменного тока /шины 29 - 30/ все напряжение сети падает на промежутке анод-катод /А - К/ симистора 8. Индикатор 35' подсвечивает кнопку управления 35. Это переменное напряжение преобразуется в постоянное низковольтное, выделяющееся на выходе узла сброса 3, т. е. на R-входах счетчика 5 и триггера 32: счетчик 5 находится в состоянии, когда все разряды счетчика обнулены, триггер 32, находясь в состоянии 0, дополнительно блокируется положительным потенциалом на его R-входе.

Кратковременное перемещение подвижных /средних/ контактов кнопки 35 в нижнее положение /фиг. 1/ с последующим возвращением их в исходное положение /под действием пружины/ или поступление сигнала для источника сигнала 42 /фиг. 2/ вызывает пересброс триггера 32 /узел 6/ в состоянии логической "1". Элемент НЕ /инвертор/ 44 снимает напряжение на R-входах, шунтируя /на время действия сигнала 42/ выход узла 3, и блокировка триггера 32 от воздействия сигнала на С-входе снимается. Подача соответствующих сигналов на S- и R-входы /фиг. 1/ осуществляется контактами 35 с использованием накопленных зарядов на конденсаторах RC-цепей 36 и 37. Конденсатор 39 служит для плавного снижения потенциала при формировании импульса на R-входе 32. Отсчет выдержки времени начинается с переходом триггера 32 в состояние "1": напряжение на инверсном выходе 32 падает до нуля, транзистор 10 запирается, и узловые импульсы, образованные при дифференцировании прямоугольного импульсного напряжения, синфазного напряжению сети, и усиленные по мощности усилителем разнополярных импульсов, действуя в цепи управления симистора 8, включают ток анод-катод симистора каждый раз в начале полуволны /в узлах переменного напряжения/ сетевого напряжения так, что с момента первого после включения узла напряжения сети через нагрузку протекает ток. Действующее значение этого тока равно (U_~/R9), где U_~ - напряжение 29 - 30, R9 - сопротивление нагрузки 9. Сопротивление симистора падает практически до нуля как в прямом /А - К/, так и обратном /К - А/ направлении протекающего тока. Напряжение на входе и выходе узла сброса 3 остается нулевым до появления положительного потенциала на входе счетчика импульсов 5 /что означает конец заданной выдержки времени/ или до нажатия на кнопку 35 или до прихода сигнала от источника 42. В любом из этих случаев открывается транзистор 10 и прекращается подача узловых импульсов в управляющую цепь транзисторов 15, 16 и в управляющую цепь симистора 8: симистор становится непроводящим с момента окончания полупериода, в котором поступил последний узловой импульс, устройство возвращается в исходное состояние.

Импульсы счетные, вырабатываемые генератором 4 и поступающие на вход C счетчика 5 с заданным периодом следования, который может варьироваться тем или иным способом, пересчитываются так, что с приходом очередного счетного импульса состояние разрядов счетчика изменяется. После отсчета 2^N-го импульса, где N - число разрядов двоичного счетчика /не считая разряда, фиксирующего переполнения всех младших разрядов, т.е. разряда переполнения/, на выходе 5 возникает положительный потенциал. Время выдержки реле времени определяется произведением периода следования счетных импульсов на 2^N. Период следования Т определяется величиной (R2+αR3)·C2 и уровнями срабатывания триггера по входам R и S, если не учитывать длительность импульса, определяемого величиной R1·C1, которая значительно меньше предыдущего произведения, где α - доля включения R3 в схему. В [6] приведены иные схемы автогенераторов, которые могут быть использованы в устройстве 4. Работа приведенной схемы: с момента спада потенциала на инверсном выходе 4 конденсатор C2 заряжается через резисторы R2 и R3 от положительного потенциала на прямом выходе триггера. По достижении потенциала на C2 до уровня переброса триггера потенциал на прямом выходе скачком падает, а на инверсном - возрастает почти до величины напряжения питания триггера: конденсатор С2 быстро разряжается до нуля, а C1 начинает заряжаться через R1. Длительность его заряда определяет длительность счетного импульса. Достижение потенциала на S-входе уровня обратного пересброса триггера возвращает схему в исходное состояние и т.д.

Проводимость, равная R^-1_но, между шинами нагрузки 9 улучшает работу симистора при высокоомных нагрузках.

1.Е.А. Коломбет. Таймеры, М.: Радио и связь, 1983, с. 7, рис. 1.2.

2. Элементы управления серии "Логика-И". Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М.: Внешторгиздат. Изд. N 10675 эс, стр. 44 - 45.

3. Устройства выходные быстродействующие. УВБ-11-19-3421. Калининский завод электроаппаратуры, 1987.

4. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. Изд. 2-е, М.: Радио и связь, 1984, с. 152, рис. 60.

5. В.А.Батушев и др. Микросхемы и их применение, М.: Радио и связь 1984, с. 116 - 125, 133 - 139.

6. В. Л. Шило. Популярные цифровые микросхемы. Справочник. Челябинск: Металлургия, 1988, с. 184 - 187.

Формула изобретения

1. Реле времени, содержащее две шины источника напряжения переменного тока, генератор импульсов, счетчик импульсов, узел сброса и усилитель, состоящий из входного транзистора, соответствующие выводы счетчика импульсов, генератора импульсов и эмиттер входного транзистора подключены к общей шине, отличающееся тем, что в него введены узел управления, источник напряжения постоянного тока, каскад коммутации полезной нагрузки, два диода и фильтр постоянного тока, в усилитель введены дифференцирующая цепь, кремниевый стабилитрон и два транзистора, обладающих различным типом проводимости, с резистивной нагрузкой в общей эмиттерной цепи обоих транзисторов, каскад коммутации выполнен в виде симистора, анод которого через полезную нагрузку подключен к первой шине источника напряжения переменного тока, катод - ко второй шине, соединенной с общей шиной, а управляющий электрод симистора - к эмиттерам двух транзисторов, выход генератора импульсов соединен со счетным входом счетчика импульсов, оба диода катодами подключены к базе входного транзистора, анод одного из диодов соединен с выходом счетчика импульсов, анод другого - с первым выходом узла управления, коллектор входного транзистора соединен через соответствующий резистор с первой шиной источника напряжения переменного тока и непосредственно - с катодом кремниевого стабилитрона, анод которого подключен к общей шине, и с обкладкой конденсатора дифференцирующей цепи, другая обкладка которого соединена с базами двух транзисторов и резистором этой дифференцирующей цепи, другой вывод которого подключен к общей шине, соединенной также со средней точкой источника напряжения постоянного тока, отрицательный полюс которого соединен с коллектором транзистора p-n-p проводимости, а положительный полюс -с коллектором транзистора n-p-n проводимости и с цепями питания генератора импульсов, счетчика импульсов и узла управления через фильтр постоянного тока, общая шина которого соединена с общей шиной устройства реле времени, входной вывод узла сброса подключен к аноду симистора, а выходной вывод - к R-входам счетчика импульсов и узла управления, общая шина узла сброса - к общей шине устройства.

2. Реле по п.1, отличающееся тем, что источник напряжения постоянного тока выполнен в виде преобразователя переменного тока в постоянный, содержащего ограничительный конденсатор, два диода, два накопительных конденсатора и два стабилитрона, одна из обкладок ограничительного конденсатора соединена с первым выводом источника напряжения переменного тока, а вторая подключена к аноду первого и катоду второго диодов, катод первого и анод второго диодов, являющиеся соответственно положительной и отрицательной шинами, соединены соответственно с катодом первого и анодом второго стабилитронов, каждый стабилитрон шунтирован соответствующим накопительным конденсатором, анод первого и катод второго стабилитронов соединены и образуют среднюю точку.

3. Реле по п. 1 или 2, отличающееся тем, что узел управления содержит RS-триггер, кнопку управления, резистор, конденсатор и две RC-цепи, подключенные свободными выводами резисторов к инверсному и прямому выходам RS-триггера, резистор включен между общей точкой, являющейся соответствующим выводом узла управления, и S-входом RS-триггера, соединяемым через замыкающий контакт первой группы контактов кнопки управления с первой обкладкой конденсатора первой RC-цепи, вторая обкладка которого соединена с общей точкой, инверсный выход RS-триггера является первым выходом узла управления, R-вход RS-триггера через конденсатор подключен к выходу узла сброса и выводу размыкающего контакта второй группы контактов кнопки управления, средний вывод контактов этой группы соединен с R-входом RS-триггера, а вывод замыкающего контакта этой группы подключен к общему выводу резистора и конденсатора второй RC-цепи, свободный вывод резистора которой соединен со вторым выходом узла управления.

4. Реле по п. 1 или 2, отличающееся тем, что узел управления содержит транзистор, источник сенсорного (дистанционного) сигнала, формирователь импульсов и D-триггер, D-вход которого соединен со своим инверсным выходом, являющимся первым выходом узла, R-вход D-триггера, являющийся R-входом узла, соединен с коллектором транзистора, эмиттер которого соединен с S-входом D-триггера и с общей шиной, являющейся соответствующим выводом узла, соединенным с соответствующими выводами формирователя импульсов и источника сенсорного сигнала, выход последнего подключен через резистор к базе транзистора, а через формирователь импульсов - к C-входу D-триггера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2