專利名稱：電子型時間繼電器的制作方法
技術領域：
本申請涉及一種時間繼電器的改進，根據本申請的構思可以制成一種無切換觸點的，電子型時間繼電器。
目前，工業部門中常用的晶體管時間繼電器，其輸出控制是通過電磁繼電器來實現的，由于觸點切換時所產生的電弧，造成觸點燒蝕，使該時間繼電器壽命短，如晶體管時間繼電器的標稱壽命為10萬次，而往往動作不足10萬次，就因觸點燒蝕而損壞，即使壽命能達到10萬次，對于現代動作頻繁的自動機械來說，也不能滿足使用要求。
本實用新型的目的，是提供一種電子型的時間繼電器，它采用大功率晶體管，或雙向晶閘管作為輸出控制器件，所以，是一種無切換觸點的時間繼電器，本實用新型的特點是壽命長，正常工作時，切換次數可達108－－－－109次。從而解決了先行技術的晶體管時間繼電器壽命短的問題。
本實用新型的目的是這樣達到的
圖1是本實用新型的原理框圖。
本實用新型的核心是一個由二個與非門A和B構成的雙穩態觸發器。當該雙穩態觸發器處于“0”狀態時，與非門A的輸出為高電位，本實用新型的輸出控制端斷開。當該雙穩態觸發器處于“1”狀態時，本實用新型的輸出控制端接通。與該雙穩態觸發器協同工作的有以下各功能電路置“0”電路1，限流和放電電路2，延遲和觸發電路3，輸出電路4，電源電路5。
當本實用新型接通電源后，電源電路5通過限流和放電電路2，向延遲和觸發電路3供電，此時放電電路關斷。與此同時，電源電路5向置“0”電路1和雙穩態觸發器供電。由于雙穩態觸發器具有雙稱性，如果不采取適當的措施，當接通電源時，該雙穩態觸發器是處于“0”狀態，還是處于“1”狀態，具有隨機的性質，這樣，必然使時間繼電器不能正常工作。置“0”電路1的作用，是在電源接通的瞬間，本實用新型內部供電電壓從零上升到工作電壓的過渡過程中，強迫雙穩態觸發器置“0”。其工作原理如下當內部供電電壓逐漸上升時，置“0”電路1的輸出端先輸出低電位，該低電位輸送到與非門A的輸入端，強迫雙穩態觸發器置“0”，當內部供電電壓上升到接近工作電壓時，置“0”電路1的輸出電壓跳變到高電位，使雙穩態觸發器保持置“0”狀態。在供電電壓上升的過程中，與非門B的輸入端上的電壓，是和供電電壓同步上升的，所以，當供電電壓上升的過渡過程中，與非門B的輸入端電壓始終比與非門A的輸入端電壓高，使雙穩態觸發器強迫置“0”，而當過渡過程結束后，與非門A和B的輸入端都為高電位，使雙穩態觸發器保持置“0”狀態。
置“0”電路1是本實用新型的一個技術關鍵，本實用新型的置“0”電路1是由射極耦合觸發器構成的，并使其輸入端通過一個穩壓二極管，接到供電電路上。圖2為置“0”電路1的原理圖。當供電電壓較低時，由于穩壓二極管D3截止，使晶體管T1截止，而T2導通，晶體管T2的集電極輸出低電位。而當供電電壓上升到接近工作電壓時，穩壓二極管D3導通，由晶體管T1和T2組合的射極偶合觸發器翻轉到T1導通，T2截止狀態，使晶體管T2的集電極輸出高電位。
限流和放電電路2是本實用新型的另一個技術關鍵。放電電路的關斷和導通受雙穩態觸發器的控制，當雙穩態觸發器處于“0”狀態時，放電電路關斷，當雙穩態觸發器處于“1”狀態時，放電電路導通。圖3是限流和放電電路3的電原理圖。限流和放電電路3的作用和工作原理如下當本實用新型和輸入端電源接通時，雙穩態觸發器被強迫置“0”，與非門B的輸出端為低電位，起放電作用的晶體管T4截止，放電電路關斷，電源電路5通過起限流作用的晶體管T3，向延遲和觸發電路3供電，延遲和觸發電路3中的定時電容開始充電，這時，晶體管T3起穩定充電電流的作用。當定時電容上的電壓達到某一定值時，觸發電路發出觸發脈沖，使雙穩態觸發器翻轉到“1”狀態，與非門B的輸出端為高電位，該輸出信號分成兩路，一路加到輸出電路4，使輸出端的負載接通。另一路接晶體管T4的基極，使晶體管T4飽和導通，晶體管T4飽和導通后，立即使加到延遲和觸發電路3的電壓降到等于晶體管T4的飽和壓降(約0.04V)。由于有晶體管T3的限流作用，所以晶體管T4飽和導通，并不會使電源電路5短路。由于加到延遲和觸發電路3上的電壓降低到晶體管T4的飽和壓降，使延遲和觸發電路3不能再發出觸發脈沖，并且定時電容上的電荷也可以得到充分的釋放，為下一次充電作好準備。如果定時電容上的電荷不能得到充分釋放，就會影響時間繼電器下一次延遲時間的準確性。
總之，限流電路的作用是(1)在發觸發脈沖之前，起穩定定時電容充電電流的作用。(2)在發觸發脈沖之后，起限止放電電流，避免電源短路的作用。放電電路的作用是在發觸發脈沖后，把加到延遲和觸發電路3的電源電壓降低到晶體管T4的飽和壓降，并使定時電容上的電荷得到釋放，為下一次充電作好準備。
本實用新型的延遲和觸發電路3，采用RC定時電路和單結晶體管來完成延時和發觸發脈沖的任務。延遲時時間是通過調節RC定時電路中的電位器，來改變的。
本實用新型的輸出電路4，采用大功率晶體管或雙向可控硅作為輸出控制器件。由于，受本實用新型控制的負載可以是直流負載，也可以是交流負載，所以本實用新型的輸出電路4，當用于交流時，末級采用雙向可控硅；當用于直流時，末級采用大功率晶體管。為了使輸入和輸出端之間，絕緣可靠，耐壓高，采用光耦合器件作為輸出電路4的前級。
本實用新型的電源電路5，按輸入控制信號為交流或直流電壓，分成兩種形式。當輸入控制信號為交流電壓時，是由電源變壓器，整流二極管，濾波和穩壓電路構成的；當輸入控制信號為直流電壓時，是由RC積分電路和穩壓電路構成的。
本實用新型的外形，按不同的安裝方式，分臥式和立式兩種。臥式結構的是在一塊印制電路板上，安裝全部電子元器件，調節延遲時間的電位器，處于印制電路板的中間位置，在印制電路板的一端是輸入接線端子，另一端是輸出接線端子，靠近輸出接線端子處，有一個表示輸出接通的發光二極管。在電位器軸上，裝有旋鈕。在旋鈕下面，有一塊印有表示延遲時間的刻度和各接線端符號的面板。把這塊裝配好的電路板，裝在一個有兩個安裝孔的外殼內，用絕緣材料整體灌封，制成的時間繼電器具有全密封結構。當額定輸出控制電流較小時，采用塑料外殼；當額定輸出控制電流較大時，采用金屬外殼，金屬外殼的底面和電氣箱貼合，兼作散熱用。立式結構的是把裝配好電子器件的印制電路板，裝在一個絕緣外殼內，在外殼頂端的中部，是裝在調節延遲時間的電位器軸上的撥盤，在撥盤的四周刻有表示延遲時間的刻度，在外殼頂端的一邊，是輸入接線端子，另一邊是輸出接線端子，靠近輸出接線端子處，同樣有一個表示輸出接通的發光二極管。在立式結構的外殼底部，開有安裝孔，也可用國際標準的電氣安裝軌進行安裝。
由于采用了上述技術方案，使本實用新型具有使用壽命長的特點，正常使用時，負載切換次數可達108－－－－109次，臥式結構的本實用新型，具有全密封性，能常期在潮濕和有害氣體環境下工作，并且，耐振動，耐沖擊。立式結構的本實用新型，具有安裝靈活，緊湊的特點。由于本實用新型的實施例，采用能耗小，抗干涉性能好的CMOS與非門作為雙穩態觸發器，所以本實用新型還具有能耗小，抗干涉性能好的優點。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
圖1為本實用新型的原理框圖。
圖2為置“0”電路1的電原理圖。
圖3為限流和放電電路2的電原理圖。
圖4為本實用新型第一實施例的電原理圖(直流輸入－－－－直流輸出)。
圖5為本實用新型第二實施例的電原理圖(交流輸入－－－－交流輸出)。
圖6為本實用新型第三實施例的電原理圖(直流輸入－－－－交流輸出)。
圖7為本實用新型第四實施例的電原理圖(直流輸入－－－－直流輸出)。
圖8為本實用新型第五實施例的電原理圖(交流輸入－－－－交流輸出)。
圖9為本實用新型第六實施例的電原理圖(直流輸入－－－－交流輸出)。
圖10為本實用新型第一實施例臥式結構的外型立體圖。
圖11為本實用新型立式結構的外型立體圖。
圖中各符號的意義和元器件規格如下I＋－－－－輸入正極接線端子 I－－－－－輸入負極接線端子O＋－－－－輸出正極接線端子 O－－－－－輸出負極接線端子R－－－－輸出負載接線端子P1，P2－－－－交流負載接線端子N，L1，L2－－－－交流輸入接線端子
RL－－－－負載A，B－－－－與非門R0，R1－－－－100歐R2－－－－4.7K歐R3－－－－270歐R4，R5－－－－10K歐R6－－－－3.3K歐R7－－－－100歐R8－－－－33K歐R9，R10，R11，R12－－－－10K歐R13－－－－470歐R14－－－－1K歐R15－－－－10K歐R16－－－－4.7K歐R18－－－－470歐R19－－－－47K歐R20－－－－100K歐R21－－－－20K歐R22－－－－100歐R23－－－－100K歐R24，R25－－100歐 R26--------2K歐R27－－－－12K歐R28－－－－4.7K 歐R29－－－1K歐R30－－－－100歐R31－－－－1.5K歐R32，R33－－－100K歐 R17－－電位器(根據最大延遲時間決定)C1－－－100微法C2－－－－1微法 C3－－－－47微法C4－－－4.7微法C5，C6－－－－0.01微法 C7－－－0.022微法D1－－－4×1N4001 D2－－－－15V穩壓二極管D3－－－7V穩態二極管D4－－－－紅色發光二極管D5，D6－－－－1N4001D7－－－－12V穩壓二極管D8－－－－3A，200V整流二極管D9－－－4×1N4007T1，T2，T4，T5－－－9014T3－－－9015T6－－－－BT32F T7－－－－VS15N20T8－－－－BT40T9－－－－3DA87T10－－－－BU406 T11－－－－3DA87T12－－－－1A,200V單向可控硅1C1－－－－CC4011B 1C2－－－－CNY171C3－－－－H11C6KS－－－－6A，600V雙向可控硅B1－－－－初級110／220V次級16V 變壓器
B2－－－－脈沖變壓器 E型鐵芯5×8毫米初次級用0.21毫米漆包線各繞120匝圖4是本實用新型的第一實施例的電原理圖，其輸入端接直流控制電壓，輸出端接直流負載。
圖4中，I＋和I－為直流輸入接線端子。電阻R0，R1，電容C1，穩壓二極管D2構成本實用新型實施例的電源電路5，其中R0，C1為積分電路，其作用是當輸入端接通時，本實用新型內部供電電壓約在20ms內，上升到工作電壓，使雙穩態觸發器有足夠的時間可靠地置“0”。R1和D2構成穩壓電路，使本實用新型的工作電壓穩定在15V左右。D3，R2，R3，R4和晶體管T1，T2構成置“0”電路1，其中T1和T2接成射極耦合觸發器，R3是耦合電阻，R4和R5是集電極負載電阻。晶體管T1的基極，通過穩壓二極管D3接到供電電路上。當輸入端接通時，內部供電電壓逐漸上升，當該電壓低于D3的反向導通電壓時，晶體管T1截止，T2導通，晶體管T2的集電極輸出低電位，使雙穩態觸發器強迫置“0”。當內部供電電壓上升到接近工作電壓時，穩壓二極管D3反向導通，使晶體管T1導通，T2截止，晶體管T2的集電極輸出高電位，使雙穩態觸發器保持置“0”狀態。本實用新型實施例的雙穩態觸發器是由CMOS與非門構成的，CC4011B是包含四個與非門的CMOS集成電路，本實用新型使用其中的二個。當雙穩態觸發器處于置“0”狀態時，與非門B輸出端為低電位，處于置“1”狀態時，與非門B輸出端為高電位。
電阻R6，R7，R8，R9，R10，電容C2，晶體管T3，T4構成本實用新型實施例的限流和放電電路2，其中晶體管T3起限流作用，電阻R6，R7和R8決定晶體管T3的限定電流值。本實施例的限定電流值約5ma。晶體管T4起放電作用，當雙穩態觸發器置“1”后，與非門B輸出的高電位，經過電阻R10限流后，使晶體管T4飽和導通，晶體管T3的集電極電壓立即下降到等于晶體管T4的飽和壓降(約0.04V)。電容C2起減小干涉的作用。
電阻R14，R15，R16，R18，二極管D5，D6，電容C3，電位器R17，單結晶體管T6，脈沖變壓器B2構成本實施例的延遲和觸發電路3。其中，電容C3為定時電容，電位器R17為調節延遲時間的定時電阻，電阻R16決定定時電路的起始值，電阻R14，R15和二極管D5的作用是使定時電容C3，快速達到同一起始電壓值，以減小延遲誤差，本實施例該起始電壓值約1.5V。電阻R18的作用是減小單結晶體管的溫度誤差，二極管D6的作用是抑制正脈沖。當雙穩態觸發器被強迫置“0”，放電管T4截止，限流管T3的集電極輸出的電流，經過電阻R16和R17，使定時電容C3充電，當電容C3上的電壓達到單結晶體管T6開通電壓時，單結晶體管T6瞬時導通，通過脈沖變壓器B2的耦合，向與非門B輸出一個負脈沖，使雙穩態觸發器翻轉到置“1”狀態，與非門B的輸入端，通過脈沖變壓器B2的次級，接到供電電路上，所以，當輸入端接通后，本實施例內部供電電路電壓上升的過渡過程中，是和供電電壓同步上升的。過渡過程結束后，與非門B的輸入端為高電位，使雙穩態觸發器保持置“0”狀態。脈沖變壓器B2發負脈沖后，該輸入端同樣為高電位，使雙穩態觸發器保持置“1”狀態。雙穩態觸發器置“1”后，由于放電晶體管T4飽和導通，使加到延遲和觸發電路3的電壓降到晶體管T4的飽和壓降，單結晶體管T6不再發觸發脈沖，并且C3上的剩余電荷可通過單結晶體管的一個PN結和脈沖變壓器B2的初級泄放。
電阻R11，R12，R13，R19，R20，R21，R22，電容C4，發光二極管D4，穩壓二極管D7，二極管D8，光耦合器IC2，晶體管T5，和大功率VMOS晶體管T7構成本實施例的輸出電路4。其中電阻R11是晶體管T5的基極限流電阻，電容C4的作用是減小干涉，電阻R12，R13起穩定晶體管T5工作點的作用，晶體管T5起放大作用，驅動光耦器IC2和發光二極管D4。穩壓二極管D7的作用是限制VMOS晶體管T7的輸入電壓，使T7得到保護。電阻R21是限流電阻，電阻R22和二極管D8的作用是當輸出負載為電感性時，抑制反向電壓。輸出接線端子0＋接輸出電源電壓正端，0－接輸出電源電壓負端，負載RL接在接線端子0＋和R之間，圖4中用虛線表示。當雙穩態觸發器置“0”時，晶體管T5截止，發光二極管D4不發光，光耦合器IC2的輸出光敏管截止，VMOS晶體管T7的輸入電壓為零，處于截止狀態，負載RL無電流通過。當達到延遲時間，雙穩態觸發器置“1”，晶體管T5導通，發光二極管D4發光，表示輸出控制接通，光耦合器的輸出光敏管導通，VMOS晶體管T7也導通，負載RL接通。這種狀態一直保持到輸入端斷開，當輸入端斷開，光耦合器IC2的輸出光敏管立即截止，VMOS晶體管T7也截止，負載RL的電流被斷開。如果輸入端再接通，就開始新的一次循環。
圖5是本實用新型第二實施例的電原理圖，其輸入端子N，L1，L2接交流110V或220V，輸出負載RL可為交流110V或220V。輸出端子P1接負載RL，P2接交流電源。
圖5中，輸入電源變壓器B1，橋式整流堆D1，電容C1，電阻R1和穩壓二極管D2構成本實施例的電源電路5。與第一實施例的區別，是以電源變壓器B1，橋式整流堆D1來代替第一實施例中的R0，使本實施例可用于交流電路中。本實施例的輸出電路4和第一實施例相應部分的區別，是采用光控晶閘管輸出光耦合器IC3，和雙向可控硅KS來代替光耦合器IC2和VMOS晶體管T7。當雙穩態觸發器觸發置“1”后，光控晶閘管輸出光耦合器IC3的輸出晶閘管導通，雙向可控硅被觸發導通，負載RL接通。電阻R24，R25和電容C5，C6的作用是抑制電感性負載斷開時的反電勢。橋式整流堆D9的作用是使IC3取得極性正確的電壓，電阻R26的作用是使雙向可控硅KS取得觸發電壓。本實施例的輸出電路4采用非過零開關電路。本實施例的其它部分與第一實施例相同。
圖6為本實用新型第三實施例的電原理圖，其輸入接線端子I＋和I－接直流控制電壓，輸出端接交流負載。它是第一實施例和第二實施例相結合的實施形態，用于直流輸入－－－－交流輸出的場合。
圖7為本實用新型第四實施例的電原理圖，是本實用新型直流輸入－－－－直流輸出的另一種實施形態。本實施例與第一實施例有二個區別(1)采用可編程單結晶體管T8來代替圖4中的單結晶體管T6。電阻R27和R28決定T8的觸發電壓。(2)以接成達林頓電路的雙極型晶體管T9和T10來代替圖4中的VMOS晶體管T7，負載RL串聯在輸出接線端子0＋和直流電源正極之間，輸出接線端子0－接直流電源負極。本實施例的其他部分和第一實施例相同。
圖8為本實用新型第五實施例的電原理圖。是交流輸入－－－－交流輸出的另一種實施形態。本實施例與第二實施例的區別是(1)采用可編程單結晶體管T8來代替圖5中的單結晶體管T6。(2)交流輸出控制采用過零開關電路。晶體管T11，電阻R34，R31，R32，R33起檢測過零電壓的作用，單向可控硅T12起觸發雙向可控硅KS的作用，電阻R36和電容C7起抑制反向電壓的作用。其它各部分和圖5相同。由于采用了過零開關電路，負載RL只能在交流電壓過零時接通，減小了對電網的干涉。
圖9為本實用新型的第六實施例，是直流輸入－－－－交流輸出的另一種實施形態。本實施例是第四實施例和第五實施例相結合的實施形態。
以上六種實施形態是本人認為效果較好的組合方式，還可有其它實施形態，如采用單結晶體管和過零開關電路的實施形態，采用可編程單結晶體管和VMOS晶體管的實施形態等，但是所有這些實施形態的關鍵是有一個由與非門構成的雙穩態觸發器；有一個使雙穩態觸發器強迫置“0”的置“0”電路；有一個限流和放電電路，在雙穩態觸發器置“1”后，使加到觸發電路的電壓降低到放電晶體管的飽和壓降。
圖10為第一實施例臥式結構的外形立體圖，體積約為60×75×25毫米。第一實施例是直流三端輸出型的時間繼電器，所以有三個輸出接線端子。第四實例是直流二端輸出型的時間繼電器，除了輸出接線端子是二個外，其臥式結構的外形和圖10相同。第三實施例和第六實施例是交流輸出型時間繼電器，其外型與圖10的區別是有二個輸出接線端子，符號為P1和P2。第二實施例和第五實施是交流輸入－－－－交流輸出型時間繼電器，由于有電源變壓器B1，所以體積稍大，約65×80×35毫米，有三個輸入接線端子，符號為N，L1，L2，有二個輸出接線端子，符號為P1，P2。
圖11為本實用新型立式結構的外形立體圖，體積約為100×80×30毫米。在外殼頂端的兩邊，各有三個接線端子，對于二個輸入端的，或二個輸出端的實施例，可空出一個接線端子。各種實施例，雖然電路有變化，在采用立式結構時，使用統一的外殼。
權利要求1.一種電子型時間繼電器，它是在印制電路板上裝配電子原器件，再裝配在外殼中，外殼按形狀分成臥式和立式兩種，臥式結構的外殼中部，是裝有旋鈕的調節延遲時間的電位器，輸入接線端子和輸出接線端子分別處于旋鈕的兩邊，在靠近輸出接線端子處有一個發光二極管，臥式結構的具有全密封結構，立式結構的外殼頂部的中間是裝有撥盤的調節延遲時間的電位器，輸入和輸出接線端子分別在外殼頂部的兩邊，靠近輸出接線端子處，有一個發光二極管，其電路構成包括電源電路，延遲和觸發電路，輸出電路，與先行技術的時間繼電器相比，本實用新型的特征是a，一個由與非門構成的雙穩態觸發器，其輸出端接到輸出電路和放電電路，二個輸入端，一個接置“0”電路，另一個接延遲和觸發電路；b，一個輸入端通過穩壓二極管接到供電電路上的射極耦合觸發器，構成置“0”電路，其輸出端接雙穩態觸發器的一個輸入端；c，一個由晶體管構成的限流和放電電路，放電晶體管的輸入端接雙穩態觸發器的輸出端，限流晶體管的輸出端接延遲和觸發電路。
專利摘要一種電子型時間繼電器，它采用大功率晶體管或雙向可控硅作為輸出控制器件，它的接通和斷開受一個雙穩態觸發器的控制。在置“0”電路，限流和放電電路，延遲和觸發電路，電源電路的配合下，使雙穩態觸發器在輸入接通的瞬時，強迫置“0”，然后在達到給定的延遲時間后，翻轉到置“1”狀態，使輸出端的負載接通。本時間繼電器的外形有臥式和立式兩種，臥式的具有全密封結構。由于本時間繼電器無切換觸點，所以其特點是使用壽命長。
文檔編號H03K17/28GK2103872SQ9123084
公開日1992年5月6日 申請日期1991年10月28日 優先權日1991年10月28日
發明者童曉楓 申請人:童曉楓