Для коммутации электрических цепей с целью реализации рабочего алгоритма оборудования, в схемах автоматики, и просто для включения или выключения с задержкой — часто применяют реле времени.
Реле времени - это устройство, которое автоматически включает и выключает электрооборудование через определенные промежутки времени.
Реле времени могут быть:
- Механические - они используют пружину или груз для создания силы, которая перемещает контакты.
- Электромеханические - они используют электромагнитное поле для перемещения контактов.
- Электронные - такие реле используют полупроводниковые элементы для управления временем задержки.
- Цифровые - такие реле используют микропроцессоры для управления временем задержки и имеют более точные настройки.
В данной статье мы поговорим об электронных схемах реле времени, широко распространенных в промышленности сегодняшнего дня.
В наиболее простом виде для задания задержки используется RC-цепочка, где в процессе зарядки или разрядки конденсатора через резистор напряжение на нем изменяется по экспоненте с течением времени, и определенная RC-цепочка имеет определенную постоянную времени, которая зависит от номиналов резистора и конденсатора в ней.
Чем больше емкость конденсатора цепочки и чем выше сопротивление резистора — тем дольше длится процесс зарядки или разрядки конденсатора, следовательно, дольше растет или убывает на конденсаторе напряжение.
На практике единичная временная задержка при помощи RC-цепочки ограничивается временем в 30 секунд, это связано с конечным сопротивлением печатной платы, однако данное ограничение не является таковым для реле на микроконтроллерах, о которых будет сказано далее.
Более точный результат и более высокую стабильность позволит получить генератор не на RC-цепочке, а на кварцевом резонаторе, поскольку кварцевый резонатор имеет очень точную и устойчивую частоту, мало зависящую от колебаний внешней температуры, чего нельзя сказать о конденсаторах и резисторах.
Таким образом, по количеству рабочих циклов электронные реле времени условно подразделяются на многотактные и однотактные.
Однотактная схема реле времени
В однотактных схемах сигнал управления (например нажатие кнопки или просто подача питания на схему) преобразуется в согласующем устройстве, где происходит преобразование уровня напряжения или тока для обработки в блоке запуска.
Блок запуска подает сигнал на блок начальной установки, который в свою очередь запускает исполнительный блок или заряжает RC-цепочку. RC-цепочки можно переключать, выбирая таким образом время задержки из предоставленного в распоряжение диапазона.
В процессе зарядки (разрядки) конденсатора цепочки, напряжение на нем растет (спадает) по экспоненте, при этом непрерывно сравнивается с опорным напряжением на аналоговом компараторе.
Как только напряжение на конденсаторе станет выше (ниже) опорного напряжения, выходной преобразователь запустит исполнительную цепь. Очевидно, временной интервал зависит не только от постоянной времени RC-цепочки, но и от значения опорного напряжения, которое выставляется на втором входе компаратора.
Многотактная схема реле времени
Многотактные схемы, как и однотактные, принимают сигнал от блока запуска, однако сигнал этот поступает на блок сброса, где он приводит цифровую часть в состояние начальной установки. После этого генератор включается в работу, отправляя серию импульсов на счетчик.
Количество импульсов сосчитанное на счетчике сравнивается с количеством установленным на цифровом компараторе, после достижения заданного числа импульсов срабатывает выходной преобразователь, который запустит исполнительную цепь, например силовой контактор.
Изменяя частоту генератора импульсов и значение в цифровом компараторе (или в простом варианте - вывод счетчика), выбирают время задержки реле времени. Такие блоки могут быть удобно реализованы на программируемых микроконтроллерах с применением дискретных элементов или цифровых микросхем.
Итак, простейшее многотактное реле включает в себя следующие основные блоки: цифровой генератор импульсов с переключаемыми RC-цепочками, счетчик импульсов, компаратор может отсутствовать, а выход со счетчика от выбранного разряда может быть подключен прямо к управляющей цепи. Подавая «сброс» на цифровую часть запускают реле времени в работу.
Схема реле времени на микроконтроллере
На сегодняшний день весьма распространены схемы реле времени на микроконтроллерах, где многие блоки реализованы программно.
Микроконтроллеры позволяют программировать реле времени, чтобы они работали в соответствии с заданными параметрами.
За тактовые импульсы отвечает кварцевый резонатор, а установка времени задается с блока кнопок, подключенных к соответствующим выводам, функции которых конфигурируются в программе как вводы.
На управляющем выходе — транзисторный ключ, который и управляет исполнительным устройством. Для индикации имеется дисплей, на котором воочию можно увидеть, как идет отсчет времени.
Кроме того микроконтроллеры потребляют мало электроэнергии, а если подобную конструкцию разрабатывать на дискретных компонентах, то она получится намного более громоздкой и намного более прожорливой.
Для модификации реле времени на программируемом микроконтроллере достаточно обновить прошивку, и не придется ничего перепаивать. К тому же цифровые интерфейсы микроконтроллеров позволяют легко сопрягать их с внешними индикаторами и ключами, а также между собой и с многими блоками различного оборудования, не говоря уже о взаимодействии с ПК.
Тенденция сегодня однозначно направлена на повсеместное применение программируемых микроконтроллеров в схемах реле времени и автоматики как на промышленных производствах, так и в быту.
Андрей Повный