電機及電氣控制技術教案：第10講

****學院單元教學設計****學年第**學期課程名稱：電機與電氣控制技術授課班級：****任課教師：所在系部及教研室：研室

第10講標題：電子電器1（2學時）授課班級上課時間上課地點多媒體教室教學目的了解電器的發(fā)展趨勢，電子電器的優(yōu)缺點。電子式時間繼電器的特點、原理及應用。教學目標能力（技能）目標知識目標能依據(jù)系統(tǒng)特點正確選擇電子電器和傳統(tǒng)電器（有觸頭電器）能正確完成電子式時間繼電器在線路中的接線；能對電子式時間繼電器進行正確的調(diào)試和維護。掌握電子電器的優(yōu)缺點；了解電子式時間繼電器的組成、種類；理解電子式時間繼電器的工作原理。重點難點及解決方法參考資料【步驟一】說明主要教學內(nèi)容、目的（時間：2分鐘）電子電器發(fā)展的現(xiàn)狀。【步驟二】新知識講解（時間：35分鐘）一、電子電器的定義、組成及作用1.電子電器的定義電子電器是電子化或半電子化的電器，換句話說，就是由全部或部分電子元件和電子線路按特定功能所構成的電器元件或裝置，又稱半導體無觸頭電器或簡稱無觸頭電器。2.電子電器的優(yōu)缺點電子電器與傳統(tǒng)的有觸頭開關電器相比有一系列的優(yōu)點，但也存在一定的缺點。（1）優(yōu)點電子電器開關速度高，一般半導體無觸頭開關的動作時間只有數(shù)微秒至數(shù)十微秒甚至僅有數(shù)十納秒，而有觸頭電器開關的固有動作時間為數(shù)十毫秒左右，即使是快速開關也需要幾毫秒，在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，如某些開關量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電子計算機備用電源的切換開關等，就需要這種高速的開關電器來執(zhí)行對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)和電路的切換，以達到控制的目的；電子電器操作頻率高，以晶閘管開關為例，其操作頻率可達每分鐘數(shù)百次以上，而一般有觸頭電器是不可能達到的；電子電器壽命長，半導體開關只要在規(guī)定的電壓和電流的極限范圍內(nèi)使用，其壽命幾乎是無限的，而有觸頭電器因受到機械和電氣性能的影響壽命不是很高；電子電器某些環(huán)境適應能力強，可在有機械振動、多粉塵、易燃、易爆的惡劣環(huán)境下工作；電子電器控制功率小，采用場效應晶體管或MOS集成器件為電子電器的輸入級，信號源幾乎不負擔電流；電子電器功能強，不僅具有開關功能，而且還能進行功率放大，交、直流調(diào)壓，交、直流電動機的軟起動和調(diào)速等；電子電器經(jīng)濟性能好，采用模塊式結構，這樣就使得各種電控裝置或系統(tǒng)的設計與安裝變成若干標準模塊的積木式組裝，從而使電控裝置或系統(tǒng)體積小、重量輕、成本低，有利于制造、維修。（2）缺點電子電器導通后的管壓降大，如晶閘管的正向壓降及大功率晶體管的飽和壓降約為1.2V，因而造成耗損功率較大，為了散發(fā)由此耗損轉變成的熱量必須加裝散熱裝置，故導致其體積比同容量的有觸頭電器大；電子電器不能實現(xiàn)理想的電隔離，如晶閘管關斷后卻仍然有數(shù)毫安的漏電流，造成電隔離不徹底；電子電器過載能力低，當用于控制電動機時，則需按電動機的起動電流來選擇元件的容量；電子電器溫度特性及抗電磁干擾能力差，易受溫度及電磁干擾的影響，需采用溫度補償、散熱、屏蔽、濾波、光電隔離等一些措施，此處有改動才能使電子電器在惡劣的環(huán)境中可靠地工作。此處有改動綜上所述，電子電器有其一系列的優(yōu)點，因而在二十世紀60年代末國內(nèi)外曾發(fā)生了一場是否用無觸頭電器來取代有觸頭電器的學術爭論。但事實證明電子電器也存在一些缺點，近十幾年來電子電器有了一個快速的發(fā)展，其用量也越來越大，但也是不能完全取代有觸頭電器的，它們之間不應是相互排斥，相互取代，而應是相輔相成，互為補充。應根據(jù)技術要求和經(jīng)濟效益來選擇最佳方案。3．電子電器的組成許多電子電器在基本原理和電路結構方面存在很多共性問題。圖2-55為光電繼電器電路原理圖，圖2-56為溫度繼電器電路原理圖。比較此二種繼電器原理圖，可見二者在基本原理和電路結構上類同，所不同是采用了不同的感辨機構即成了不同類型的電器。大多數(shù)非數(shù)字式電子電器的組成如圖2-57所示。并非所有電子電器的電路都完全遵循這一結構形式，在感辨機構和出口電路之間，許多電子電器根據(jù)其特殊的矛盾和規(guī)律，在信息的處理上或多或少會有些差異。有的需要增加一些電路，有的則可以減少一些電路，如有些電子電器需具有延時功能，故需增加延時電路；而有些電子電器采用有源傳感器，故不需變換電路等。另外對有些較簡單的電子電器其一個局部電路實際起到了圖2-57中幾個電路的作用。如圖2-55中晶體管V2和晶體管V4等共同組成一個射極耦合觸發(fā)器就起到了放大電路兼鑒別電路的雙重作用?！静襟E三】知識和能力的歸納（時間：5分鐘）電子電器的優(yōu)缺點?！静襟E四】新知識講解（時間：35分鐘）二、電子式時間繼電器傳統(tǒng)的時間繼電器存在價格高、結構復雜、延時精度低、延時范圍窄、延時調(diào)整麻煩等缺點。利用模擬和數(shù)字電子技術都可以實現(xiàn)延時，因此電子式時間繼電器便應運而生。更由于電子產(chǎn)品加工技術的現(xiàn)代化，使電子式時間繼電器在克服傳統(tǒng)時間繼電器一些缺點的同時更具價格優(yōu)勢。1.電子式時間繼電器的特點與分類電子式時間繼電器和傳統(tǒng)的時間繼電器一樣，都是機電設備控制系統(tǒng)中的重要的元件。它具有延時范圍廣、精度高、體積小、耐沖擊和振動、控制功率小、調(diào)節(jié)方便、壽命長等許多優(yōu)點，所以發(fā)展很快，使用也日益廣泛。電子式時間繼電器的品種規(guī)格較多，構成原理各異。按構成原理分為阻容式和數(shù)字式兩類；按延時的方式分為通電延時型、斷電延時型、帶瞬動觸頭的通電延時型等。2.阻容式晶體管時間繼電器阻容式晶體管時間繼電器是利用電的阻尼，即電容對電壓變化的阻尼作用作為延時的基礎。根據(jù)電壓鑒幅器電路的不同，阻容式晶體管延時繼電器大致可以分為三類：一類是采用單結晶體管的延時繼電器；另一類是采用不對稱雙穩(wěn)態(tài)電路的延時繼電器；逐有一類是采用MOS型場效應晶體管的延時繼電器。下面以具有代表性的JS20系列阻容式晶體管時間繼電器為例，介紹其結構和電路的工作原理。JS20系列采用插座式結構，所有元器件都裝在印制電路板上，然后用螺釘將其與插座緊固，再裝入塑料罩殼內(nèi)固定，組成本體部分。在罩殼頂面裝有銘牌、整定電位器旋鈕和指示燈。銘牌上有該時間繼電器最大延時時間的十等分刻度。使用時旋轉旋鈕即可調(diào)整延時時間，當延時動作后指示燈亮。外接式的整定電位器不裝在繼電器的本體內(nèi)，而用導線引接到所需的控制板上。JS20系列的安裝方式有兩種；裝置式備有帶接線端子的膠木底座，它與繼電器本體部分間采用接插連接，并用扣環(huán)鎖緊，以防松動；面板式可直接把時間繼電器安裝在控制臺的面板上。它與裝置式的結構大體相同，只是將通用大八腳插座替代裝置式的膠木底座。JS20單結晶體管時間繼電器的電路由延時環(huán)節(jié)、鑒幅器、出口電路、指示燈和電源等組成，圖2-58為其電路原理圖。電源的穩(wěn)壓環(huán)節(jié)由電阻R1和穩(wěn)壓管V3組成，只給延時環(huán)節(jié)和鑒幅器供電，出口電路中的V4和K則由整流電源直接供電。電容器C2的充電回路有兩條，一條是通過主充電電路的電阻RP1+R2；另一條是通過由低電阻值電阻RP2、R4、R5組成的分壓器經(jīng)二極管V2向電容器C2提供的預充電電路。請注意修改下文章內(nèi)容的正斜體的修改請注意修改下文章內(nèi)容的正斜體的修改當接通電源后，（L接火線，N接零線），交流電由變壓器T變壓，再由二極管V1整流、電容器C1濾波以及穩(wěn)壓管V3穩(wěn)壓后給電路提供直流電壓。通過RP2、R4、V2預充電電路向電容器C2以極小的時間常數(shù)快速預充電。預充電的幅度為U'C0，高于電容器C2上殘存電壓UC0，其值取決于RP2、R4、R5的分壓值。預充電的作用是使主充電電路每次都能從一個較低的恒定電壓U'C0開始，以消除電容器C2上無規(guī)律的殘存電壓UC0引起的延時誤差；與此同時通過主充電電路RP1、R2也向電容器C2充電，但其充電時間常數(shù)要比預充電電路充電時間常數(shù)大很多，RP1是可變電阻，調(diào)節(jié)其大小，即改變了延時時間。電容器C2上的電壓UC在預充電壓U'C0的基礎上按指數(shù)規(guī)律逐漸上升，當此電壓大于單結晶體管V5的發(fā)射極峰點電壓UP時，單結晶體管V5導通，輸出脈沖電壓提供給晶閘管V4控制極一個觸發(fā)脈沖，使晶閘管V4導通，執(zhí)行繼電器K線圈通電，銜鐵吸合，其觸頭將接通或分斷外電路，執(zhí)行延時控制。在電路中利用其一對并聯(lián)在氖燈H兩端的常閉觸頭斷開，使氖燈H起輝，以指示延時已動作，同時其另一對常開觸頭閉合，將C2短接，使之迅速放電，為下一次工作作好準備，同時使C2不再充電，V5也停止工作，因而也提高了C2和V5的使用壽命。當切斷電源時，繼電器K線圈斷電，銜鐵釋放，觸頭復位，電路恢復原來狀態(tài)，等待下次工作。JS20系列時間繼電器的主要參數(shù)見表2-21此處有改動。此處有改動JS20系列時間繼電器主要技術數(shù)據(jù)如下：延時范圍。每種延時等級的最大延時值應大于其標稱延時值，但小于標稱延時值的110%；最小延時值應小于該等級標稱延時值的10%。如一個180s的時間繼電器，它的最大延時時間，即將調(diào)節(jié)電位器旋至最大值，不應小于180s，但也不應大于198s；其最小延時間，即將電位器旋至零，不應大于18s。延時誤差。延時重復誤差范圍為±3%；當電源電壓在額定電壓的85%~105%范圍內(nèi)變動時，延時誤差范圍為±5%；當周圍空氣溫度在+10~50℃范圍內(nèi)變化時，其延時誤差范圍為±10%；當繼電器動作12萬次后，其延時的誤差范圍為±10%。3．數(shù)字式時間繼電器阻容式晶體管時間繼電器由于其特定的延時原理，使它具有許多自身難以克服的不足之處，如延時時間不可能太長；延時精度易受電壓、溫度的影響，造成其延時精度較低；延時過程不能顯示等。隨著半導體集成電路技術的高速發(fā)展和應用領域的滲透，為解決這一矛盾，出現(xiàn)了數(shù)字式時間繼電器。這種數(shù)字式時間繼電器延時的基本原理，就是采用對標準頻率的脈沖進行分頻和計數(shù)的延時環(huán)節(jié)來取代RC充、放電的延時環(huán)節(jié)。從而使時間繼電器的各種性能指標得以大幅度地提高。同時，由于電子產(chǎn)品制造技術的發(fā)展，數(shù)字式的時間繼電器反而具有價格優(yōu)勢。數(shù)字式時間繼電器是從70年代初開始發(fā)展起來的，目前最先進的數(shù)字式時間繼電器中應用了微處理器，使其除了具有延時長、精度高、延時過程有數(shù)字顯示外，還具有其他許多功能，如延時方法可以選擇多達11種，包括有延時閉合、延時斷開、間隔計時、通電循環(huán)延時、通電延時閉合，再延時斷開等等，再如狀態(tài)指示，其除了可顯示延時過程，還可指示無激勵、延時和響應三種狀態(tài)等等。目前，國內(nèi)外數(shù)字式時間繼電器按標準時基電路構成原理的不同可分為三種類型，即電源分頻型、RC振蕩型、晶體振蕩分頻型。下面僅以電源分頻型數(shù)字式時間繼電器為例分析數(shù)字式時間繼電器的工作原理。圖2-59為具有4位數(shù)字設定的電源分頻型數(shù)字式時間繼電器的電路原理框圖。電源分頻型數(shù)字式時間繼電器的標準時基電路是利用交流市電的50Hz頻率的電壓，經(jīng)降壓、半波整流和波形整形后得到一列周期為0.02s的脈沖，作為標準時基脈沖。再經(jīng)時基分頻器產(chǎn)生0.ls、1s、10s的標準時基脈沖，供實際使用選用。本電路的特點：延時精度高，延時精度基本上不受電壓、溫度變化的影響。延時范圍寬，當時基變換開關QS位于l位置上，可獲得0.l~999.9s的延時范圍；位于2位置上，可獲得1~9999s的延時范圍；位于3位置上，可獲得10~99990s的延時范圍；只要增多計數(shù)器和數(shù)字開關，就可獲得寬的延時范圍。整定、使用方便，電路中的數(shù)字開關是采用帶有機械譯碼器的8-4-2-1撥碼數(shù)字開關來整定延時時間，這樣既可省去一套譯碼電路，使體積減小，又使整定方便和直觀，如需整定延時時間為1357s，只需將時基轉換開關QS置在2