АБПУ (II часть)
Конденсаторное реле сверхдлительных выдержек времени
А. Аристов
Один из распространенных автоматов выдержки времени — конденсаторное реле, поскольку оно, как правило, просто по конструкции и легко налаживается. Но выдержки времени этих реле обычно не превышают нескольких минут. Для получения же больших выдержек приходится использовать конденсаторы значительной емкости, обладающие пониженными сопротивлениями утечки, что снижает стабильность и надежность работы реле.
Используя предлагаемый принцип конструирования конденсаторных реле времени, нетрудно построить автомат с выдержкой времени до… нескольких месяцев, причем времязадающий, конденсатор потребуется емкостью всего в несколько микрофарад. Принцип работы подобного реле поясняет рис. 1.
Рис. 1. Функциональная схема конденсаторного реле
Времязадающий конденсатор С1 после заряда его через выключатель S1 до напряжения источника питания подключается к разрядному резистору R1 и электронному ключу через выключатель S2, контакты которого замыкаются на непродолжительное время через определенные интервалы вспомогательным автоматом. Иначе говоря, конденсатор разряжается короткими порциями, что равносильно увеличению емкости конденсатора, а значит, выдержки реле времени во столько раз, во сколько продолжительность между замыканиями контактов выключателя S2 больше продолжительности их замкнутого состояния (можно сказать, что это значение соответствует скважности импульсов, управляющих контактами выключателя). Когда конденсатор разрядится до определенного напряжения, сработает пороговое устройство — электронный ключ — и реле К1 включит (или выключит) нагрузку.
А теперь познакомимся со схемой реле времени (рис. 2), построенного на основе рассмотренного принципа. Времязадающий конденсатор здесь — С1. Он подключен через контакты К2.2 герконового реле К2 к пороговому устройству на однопереходном транзисторе V1. Контакты замыкаются периодически через определенные интервалы времени, задаваемые генератором, который управляет работой реле К2.
Рис. 2. Принципиальная схема конденсаторного реле.
Предположим, что конденсатор С1 уже заряжен до напряжения источника питания и отсчет выдержки времени начался. В те моменты, когда контакты замкнуты, конденсатор С1 разряжается через резистор R2 (параллельно ему можно подключить выключателем S1 резистор R3 и ускорить разряд конденсатора в 20 раз, уменьшив тем самым во столько же установленную выдержку времени). Реле подключено к генератору импульсов большой скважности, поэтому контакты замкнуты в течение сравнительно короткого времени, а в течение более длительного периода разомкнуты и конденсатор не разряжается.
Управляющие работой реле импульсы дифференцируются цепочкой C3R7R4, в результате чего в момент окончания управляющего импульса (то есть во время заднего фронта его) в цепь базы 2 однопереходного транзистора поступает короткий отрицательный импульс амплитудой около 0,8 В, «разрешающий» открывание транзистора. Но напряжение на эмиттере транзистора пока велико, и он остается закрытым. Когда конденсатор разрядится до определенного напряжения и в этот момент на базу 2 поступит очередной отрицательный импульс, транзистор включится.
Конденсатор С1 на короткое время (0,1…0,5 мс) окажется подключенным через открытый переход эмиттер-база 1 транзистора VI к резистору R5 и начнет заряжаться через него. В результате на резисторе появится положительный импульс, который через конденсатор С2 и диод V2 поступит на управляющий электрод тринистора V4 и откроет его. Сработает реле К.1 и контактами К.1.2 (на схеме не показаны) замкнет (или разомкнет) цепь нагрузки. Поскольку при этом откроется диод У5, реле К2 окажется подключенным параллельно реле KL. Через замкнувшиеся контакты К1.1, резистор R1 и контакты К2.1 конденсатор С1 зарядится до напряжения источника питания. Автомат готов к последующему отсчету выдержки.
Диод V2 защищает управляющий р-n-переход тринистора от опасного для него обратного напряжения. Диоды V3 и V9 нужны для подавления экстратоков, возникающих при отпускании реле.
Чтобы начать новый цикл отсчета времени, реле нужно установить в исходное состояние, когда закрыт тринистор, а реле К1 обесточено. Для этого достаточно замкнуть контакты выключателя S2. Конденсатор С4 быстро зарядится через резистор R9 до уровня напряжения на катоде тринистора, а конденсатор С5 будет более медленно заряжаться через резисторы R10, R11 до напряжения включения однопереходного транзистора V6. Через некоторое время этот транзистор включится и создаст положительный импульс напряжения на резисторе R9. Он окажется соединенным последовательно с напряжением на конденсаторе С4 и создаст на катоде тринистора более положительное напряжение по отношению к аноду. Тринистор закроется, реле К1 отпустит и контактами К1.2 переключит нагрузку. Контакты K1Л разомкнутся. Диод V5 закроется, и реле К2 вновь начнет периодически включаться и выключаться.
Интервал времени между замыканием контактов выключателя S2 и отпусканием реле К1 можно установить переменным резистором R10 в пределах 0,15…5 с.
Для увеличения этого интервала достаточно подключить параллельно конденсатору С5 дополнительный конденсатор соответствующей емкости.
Такое, на первый взгляд, сложное устройство переключения реле времени в исходное состояние позволяет при необходимости автоматизировать работу устройства и добиться его периодического включения без постороннего вмешательства. После установки нужных выдержки и паузы реле будет отсчитывать заданные интервалы, включать (или выключать) нагрузку, а после некоторого перерыва вновь переходить в режим отсчета времени. Такой автомат сможет, например, подсыпать корм рыбам или мелким животным, поливать цветы во время отпуска, а совместно с кинокамерой — проводить покадровую съемку медленно протекающих процессов, таких как рост цветка.
Генератор импульсов, управляющих реле К2, собран на кремниевых транзисторах V7 и V8, включенных как аналог однопереходного транзистора. Генератор вырабатывает импульсы прямоугольной формы и амплитудой, близкой к напряжению питания. Длительность импульсов около 20 мс, частоту их следования можно плавно изменять переменным резистором R12. В итоге выдержку времени удается плавно устанавливать в пределах 2,5…80 мин или 45 мин…26 ч (в зависимости от положения контактов выключателя S1). Кроме того, возможна установка фиксированных выдержек, если переключатель S3 устанавливать в другие положения. Так при подключении им к генератору резистора R14 выдержка может быть 3 мин или 1 ч (соответственно при замкнутых и разомкнутых контактах выключателя S1). Если же будет подключен резистор R13, выдержка соответственно станет 36 ч или 30 суток. В четвертом положении переключателя к генератору импульсов будет подключен разъем XI, в гнезда которого можно вставить выводы резистора, задающего любую другую выдержку реле.
На однопереходном транзисторе V10 собран вспомогательный генератор, импульсы которого выполняют такую же роль для генератора на транзисторах V1, V8, что и импульсы последнего для каскада на транзисторе VI.
Детали реле времени можно разместить в любом подходящем корпусе. При монтаже их следует помнить, что соединение выводов конденсатора С1 с контактом группы К2.1 должно быть выполнено только над платой («в воздухе»), чтобы обеспечить лучшую изоляцию этой точки и предотвратить дополнительный разряд конденсатора.
Однопереходные транзисторы — любые из серии КТ117, биполярные можно заменить любыми аналогичными — кремниевыми транзисторами соответствующей структуры. Тринистор — любой из серии КУ101. Реле К1 — на напряжение 12 В, при токе
