CN111477499A - 一种安全继电器释放延时时间可设的驱动电路装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及安全继电器技术领域，尤其涉及一种安全继电器释放延时时间可设的驱动电路装置，包括光耦输入电路、组合逻辑电路、RC振荡电路、调节开关电路、可编程定时电路和双稳态电路。本发明采用电位器和调节开关来实现安全继电器释放延时时间的设定；通过纯硬件实现，实现方式稳定可靠，所有器件都为常规通用器件，便于实际批量生产，适用性强，成本低，结果可控。
Description
技术领域
本发明涉及安全继电器技术领域，尤其涉及一种安全继电器释放延时时间可设的驱动电路装置。
背景技术
随着工业生产过程中安全生产问题的不断产生，工业生产安全日益受到人们的重视，在经常涉及人和机械设备安全的港口机械、起重机领域显得尤其重要。随着近20年来***安全理论的诞生和不断发展，使工业生产安全问题的研究达到了一个新的阶段，安全继电器作为安全产品家族中的一员，其应用也日渐广泛。所谓安全继电器，并不是没有故障的继电器，而是发生故障时做出有规则的动作，它具有强制导向触点结构，万一发生触点熔结现象时也能确保安全，这一点同常规继电器完全不同，它是专门为条件苛刻的任务或安全相关的应用而设计的继电器，在其失效时不会对人员安全或过程安全带来危险。
由于部分自动化设备的工序较为复杂，当设备需要进行紧急停机时，其中的主接触器不能带载进行分断操作，故而需采用具备延时断开的安全继电器；又因不同设备所需的延时时间长短不一，固定延时输出的安全继电器无法满足广泛的应用客户群体，因此一款释放延时时间可设的安全继电器开发便显得尤为重要。
目前国内外现有的延时输出安全继电器产品有如下两种实现方法：
1、纯硬件电路实现，但设定的延时时间范围较窄，不利于多种不同行业的应用；
2、硬件和嵌入式结合实现，但嵌入式的引入，增加了产品的成本；又由于嵌入式芯片的失效模式无法很好地被定义，容易发生一些不可控的结果。
发明内容
本发明提供了一种安全继电器释放延时时间可设的驱动电路装置，通过调节开关和电位器实现延时时间的设定，实现方式稳定可靠。
为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种安全继电器释放延时时间可设的驱动电路装置，包括光耦输入电路、组合逻辑电路、RC振荡电路、调节开关电路、可编程定时电路和双稳态电路，光耦输入电路用于将安全继电器的开关量输入信号转换为逻辑电平信号传输给组合逻辑电路和双稳态电路，组合逻辑电路根据光耦输入电路产生的逻辑电平信号和安全继电器的输出控制信号触发可编程定时电路进入复位或延时状态，RC振荡电路用于改变可编程定时电路的振荡频率，调节开关电路用于产生数字分频信号给可编程定时电路，可编程定时电路根据调节开关电路产生的数字分频信号、RC振荡电路提供的振荡频率信号和组合逻辑电路触发的延时状态设定延时时间的脉冲信号给双稳态电路，双稳态电路根据光耦输入电路产生的逻辑电平信号和可编程定时电路产生的延时时间的脉冲信号输出安全继电器的输出控制信号。
作为本发明的优化方案，RC振荡电路包括第一电位器RP1，第一电位器RP1与可编程定时电路相连接，通过调节第一电位器RP1改变可编程定时电路的振荡频率。
作为本发明的优化方案，调节开关电路包括第一调节开关S1，第一调节开关S1与可编程定时电路相连接，通过改变第一调节开关S1的位置，输出数字分频信号给可编程定时电路。
作为本发明的优化方案，光耦输入电路包括第一电阻R1、第一电容C1、第一光耦U1、第二电阻R2、第三电阻R3、第二电容C2、第四电阻R4和三极管Q1，所述的第一电阻R1连接在安全继电器的开关量输入信号端和第一光耦U1的阳极之间，所述的第一电容C1连接在第一光耦U1的阳极和地之间，第二电阻R2连接在第一光耦U1的发射极和第三电阻R3之间，第三电阻R3和第二电容C2并联连接在三极管Q1的基极和地之间，第四电阻R4连接在电源VCC和三极管Q1的集电极之间。
作为本发明的优化方案，组合逻辑电路包括第一与非门U2A，第一与非门U2A的一个输入端与光耦输入电路的输出端相连，第一与非门U2A的另一个输入端与安全继电器的输出控制信号输出端相连，第一与非门U2A的输出端与可编程定时电路连接。
作为本发明的优化方案，可编程定时电路包括第一可编程定时芯片U3和第二与非门U2B，第二与非门U2B的输入端与第一可编程定时芯片U3连接，第二与非门U2B的输出端与双稳态电路连接。
作为本发明的优化方案，双稳态电路包括第三与非门U2C、第四与非门U2D、第五电容C5和第六电容C6，第三与非门U2C的一个输入端与可编程定时电路连接，第三与非门U2C的另一个输入端与第四与非门U2D的输出端连接，第五电容C5连接在第三与非门U2C的一个输入端和地之间，第四与非门U2D的一个输入端与第三与非门U2C的输出端连接，第四与非门U2D的另一个输入端与光耦输入电路的输出端连接，第六电容C6连接在VCC和第三与非门U2C的输出端之间。
本发明具有积极的效果：1)本发明采用电位器和调节开关组合来实现安全继电器释放延时时间的设定，总延时时间T＝N×t，其中N是通过调节开关设定的倍数，t是通过电位器设定的最小时基单位；
2)本发明通过纯硬件实现，实现方式稳定可靠，所有器件都为常规通用器件，便于实际批量生产，适用性强，成本低，结果可控。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的原理框图；
图2为光耦输入电路的电路连接示意图；
图3为组合逻辑电路的电路连接示意图；
图4为RC振荡电路的电路连接示意图；
图5为调节开关电路的电路连接示意图；
图6为可编程定时电路的电路连接示意图；
图7为双稳态电路的电路连接示意图；
图8为安全继电器释放延时时序逻辑。
其中：1、光耦输入电路，2、组合逻辑电路，3、RC振荡电路，4、调节开关电路，5、可编程定时电路，6、双稳态电路。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开了一种安全继电器释放延时时间可设的驱动电路装置，包括光耦输入电路1、组合逻辑电路2、RC振荡电路3、调节开关电路4、可编程定时电路5和双稳态电路6，光耦输入电路1用于将安全继电器的开关量输入信号转换为逻辑电平信号传输给组合逻辑电路2和双稳态电路6，组合逻辑电路2根据光耦输入电路1产生的逻辑电平信号和安全继电器的输出控制信号触发可编程定时电路5进入复位或延时状态，RC振荡电路3用于改变可编程定时电路5的振荡频率，调节开关电路4用于产生数字分频信号给可编程定时电路5，可编程定时电路5根据调节开关电路4产生的数字分频信号、RC振荡电路3提供的振荡频率信号和组合逻辑电路2触发的延时状态设定延时时间的脉冲信号给双稳态电路6，双稳态电路6根据光耦输入电路1产生的逻辑电平信号和可编程定时电路5产生的延时时间的脉冲信号输出安全继电器的输出控制信号。
如图2所示，光耦输入电路1包括第一电阻R1、第一电容C1、第一光耦U1、第二电阻R2、第三电阻R3、第二电容C2、第四电阻R4和三极管Q1，第一电阻R1连接在安全继电器的开关量输入信号端和第一光耦U1的阳极之间，第一电容C1连接在第一光耦U1的阳极和地之间，第一光耦U1的阴极接地，第一光耦U1的集电极接VCC，第二电阻R2连接在第一光耦U1的发射极和第三电阻R3之间，第三电阻R3和第二电容C2并联连接在三极管Q1的基极和地之间，第四电阻R4连接在电源VCC和三极管Q1的集电极之间，三极管Q1的发射极接地。
如图3所示，组合逻辑电路2包括第一与非门U2A，第一与非门U2A的一个输入端与光耦输入电路1的输出端相连，第一与非门U2A的另一个输入端与安全继电器的输出控制信号输出端相连，第一与非门U2A的输出端与可编程定时电路5连接，第一与非门U2A的第1引脚连接至三极管Q1的集电极，第一与非门U2A的第2引脚连接安全继电器的输出控制信号输出端，第一与非门U2A的第3引脚连接第一可编程定时芯片U3的第2引脚，如此当输入信号为低电平时且输出信号为高电平时，才能使第一可编程定时芯片U3实现延时输出，其复位信号真值表详见表1所示。
表1复位信号真值表
如图4所示，RC振荡电路3包括第一电位器RP1、第五电阻R5、第三电容C3和第六电阻R6，第一电位器RP1与可编程定时电路5相连接，通过调节第一电位器RP1改变可编程定时电路5的振荡频率。第五电阻R5连接在第一可编程定时芯片U3的第3引脚和第三电容C3之间，第三电容C3连接在第五电阻R5和第一可编程定时芯片U3的第4引脚之间，第六电阻R6连接在第一可编程定时芯片U3的第5引脚和第一电位器RP1之间，调节第一电位器RP1，便可改变第一可编程定时芯片U3的振荡频率。
如图5所示，调节开关电路4包括第一调节开关S1、第八电阻R8和第九电阻R9，第一调节开关S1与可编程定时电路5相连接，通过改变第一调节开关S1的位置，输出数字分频信号给可编程定时电路5。第八电阻R8连接于第一调节开关S1的第3引脚和地之间，第九电阻R9连接于第一调节开关S1的第6引脚和地之间，如此用户通过改变第一调节开关S1上的位置，输出不同的数字编码信号给第一可编程定时芯片U3，实现不同的分频系数，其调节开关真值表详见表2所示。
表2调节开关真值表
如图6所示，可编程定时电路5包括第一可编程定时芯片U3、第二与非门U2B、第四电容C4和第七电阻R7，第二与非门U2B的输入端与第一可编程定时芯片U3连接，第二与非门U2B的输出端与双稳态电路6连接。第四电容C4连接于VCC和第一可编程定时芯片U3的第1引脚之间，第一可编程定时芯片U3的第9引脚连接第一调节开关S1的第3引脚，第一可编程定时芯片U3的第10引脚连接第一调节开关S1的第6引脚，第一可编程定时芯片U3的第13引脚和第14引脚相连接并连接第二与非门U2B的第5引脚，通过振荡频率和数字分频信号并结合复位信号的变化，确定第一可编程定时芯片U3进入复位或定时状态。
如图7所示，双稳态电路6包括第三与非门U2C、第四与非门U2D、第五电容C5和第六电容C6，第三与非门U2C的一个输入端与可编程定时电路5连接，第三与非门U2C的第8引脚与第二与非门U2B的第4引脚相连，第三与非门U2C的另一个输入端与第四与非门U2D的输出端连接，第五电容C5连接在第三与非门U2C的一个输入端和地之间，第四与非门U2D的一个输入端与第三与非门U2C的输出端连接，第四与非门U2D的另一个输入端与光耦输入电路1的输出端连接，第四与非门U2D的第13引脚与第一与非门U2A的第1引脚相连，第六电容C6连接在VCC和第三与非门U2C的输出端之间。根据输入信号和延时脉冲信号的状态，通过双稳态电路6实现输出信号达到稳定状态，其双稳态真值表如表3所示。
表3双稳态电路真值表
结合图1-8，详细介绍安全继电器释放延时时间可设的驱动电路装置的原理。
当Input为高电平时(实现安全继电器的吸合)，输入信号经过第一电阻R1和第一光耦U1的二极管，使得第一光耦U1的原边导通，继而使得第一光耦U1的发射极产生高电平信号。此光耦输入电路1可以实现输入信号的电气隔离和电平转换。第一光耦U1的发射极产生的高电平信号，经三极管Q1和第四电阻R4组成的反相器后，使三极管Q1的集电极产生低电平信号，即第四与非门U2D的第13引脚为低电平信号。根据表1真值表的第3行可得，第一可编程定时芯片U3的第2引脚为高电平，该高电平会使第一可编程定时芯片U3进入复位状态，进而降低整机***的功耗，并在第一可编程定时芯片U3的第13引脚输出低电平信号，该低电平信号经第二与非门U2B后，在第二与非门U2B的第4引脚产生高电平信号，即第三与非门U2C的第8引脚为高电平信号。至此，第三与非门U2C和第四与非门U2D组成的双稳态电路6的两路输入信号均已确定，查表3所示双稳态真值表中的第1行可得，此时输出驱动信号为高电平，继而实现了图8中的输入信号为高电平时，安全继电器的输出控制信号同步输出为高电平。
当输入信号由高电平转为低电平时(实现安全继电器的延时释放)，经过第一光耦U1和三极管Q1时，使得三极管Q1的集电极产生高电平信号，即第四与非门U2D的第13引脚为高电平信号。查表3所示双稳态真值表中的第3行可得，输出驱动信号继续保持高电平不变。由于此时的输入信号为低电平，输出驱动信号为高电平，根据表1真值表的第2行可得，第一可编程定时芯片U3的第2引脚为低电平信号，此时第一可编程定时芯片U3进入定时阶段。
定时时间由第一电位器RP1的阻值、第六电阻R6的阻值，第三电容C3的容值和第一调节开关S1的调节位置共同决定。假设第一电位器RP1的阻值为Ra，第六电阻的阻值为Rb，第三电容的容值为Ca，第一调节开关的调节位置为“3”，根据第一可编程定时芯片U3的数据手册可知定时时间T的计算公式如下：
T＝2(n-1)×2.3×Rtc×C
其中Rtc为振荡电阻的阻值，C为振荡电容的容值，n为第一可编程定时芯片的分频数，由第一可编程定时芯片U3的6脚、9脚、10脚、11脚和12脚电平信号确定，由于目前第一可编程定时芯片U3的第6引脚，第11引脚和第12引脚电平均已固定知晓，因此上述计算公式可转换为：
T＝2(13-1)×N×2.3×(Ra+Rb)×Ca
根据第一调节开关S1的当前位置“3”，查表2可得，N＝4。用户可根据所需设定的延时时间，自行调节第一电位器RP1的阻值和旋转调节开关的位置。为了便于用户更加方便的计算延时时间，该产品已将第一电位器RP1的旋转角度在仪表壳体上对应成相应最小的时基单元t，第一调节开关S1的位置也已在仪表壳体上对应成相应的倍数N。
当时间超过定时时间T后，第一可编程定时芯片U3的第13引脚输出高电平，经第二与非门U2B后，在第二与非门U2B的第4引脚产生高电平信号，即第三与非门U2C的第8引脚为高电平信号。查表3所示双稳态真值表中的第2行可得，安全继电器的输出控制信号输出低电平，继而实现了安全继电器的释放延时。
安全继电器延时释放后，此时由于输入信号和输出信号均变为低电平，根据表1的第1行可得，第一可编程定时芯片U3的第2引脚又变成高电平，第一可编程定时芯片U3再次进入复位状态，等待下一次延时信号的触发。
至此安全继电器释放延时时间可设的驱动电路装置原理已完全实现了图8的时序逻辑需求。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种安全继电器释放延时时间可设的驱动电路装置，其特征在于：包括光耦输入电路(1)、组合逻辑电路(2)、RC振荡电路(3)、调节开关电路(4)、可编程定时电路(5)和双稳态电路(6)，所述的光耦输入电路(1)用于将安全继电器的开关量输入信号转换为逻辑电平信号传输给组合逻辑电路(2)和双稳态电路(6)，所述的组合逻辑电路(2)根据光耦输入电路(1)产生的逻辑电平信号和安全继电器的输出控制信号触发可编程定时电路(5)进入复位或延时状态，所述的RC振荡电路(3)用于改变可编程定时电路(5)的振荡频率，所述的调节开关电路(4)用于产生数字分频信号给可编程定时电路(5)，所述的可编程定时电路(5)根据调节开关电路(4)产生的数字分频信号、RC振荡电路(3)提供的振荡频率信号和组合逻辑电路(2)触发的延时状态设定延时时间的脉冲信号给双稳态电路(6)，所述的双稳态电路(6)根据光耦输入电路(1)产生的逻辑电平信号和可编程定时电路(5)产生的延时时间的脉冲信号输出安全继电器的输出控制信号。
2.根据权利要求1所述的一种安全继电器释放延时时间可设的驱动电路装置，其特征在于：所述的RC振荡电路(3)包括第一电位器RP1，第一电位器RP1与可编程定时电路(5)相连接，通过调节第一电位器RP1改变可编程定时电路(5)的振荡频率。
3.根据权利要求2所述的一种安全继电器释放延时时间可设的驱动电路装置，其特征在于：所述的调节开关电路(4)包括第一调节开关S1，第一调节开关S1与可编程定时电路(5)相连接，通过改变第一调节开关S1的位置，输出数字分频信号给可编程定时电路(5)。
4.根据权利要求3所述的一种安全继电器释放延时时间可设的驱动电路装置，其特征在于：所述的光耦输入电路(1)包括第一电阻R1、第一电容C1、第一光耦U1、第二电阻R2、第三电阻R3、第二电容C2、第四电阻R4和三级管Q1，所述的第一电阻R1连接在安全继电器的开关量输入信号端和第一光耦U1的阳极之间，所述的第一电容C1连接在第一光耦U1的阳极和地之间，第二电阻R2连接在第一光耦U1的发射极和第三电阻R3之间，第三电阻R3和第二电容C2并联连接在三极管Q1的基极和地之间，第四电阻R4连接在电源VCC和三极管Q1的集电极之间。
5.根据权利要求4所述的一种安全继电器释放延时时间可设的驱动电路装置，其特征在于：所述的组合逻辑电路(2)包括第一与非门U2A，第一与非门U2A的一个输入端与光耦输入电路(1)的输出端相连，第一与非门U2A的另一个输入端与安全继电器的输出控制信号输出端相连，第一与非门U2A的输出端与可编程定时电路(5)连接。
6.根据权利要求5所述的一种安全继电器释放延时时间可设的驱动电路装置，其特征在于：所述的可编程定时电路(5)包括第一可编程定时芯片U3和第二与非门U2B，第二与非门U2B的输入端与第一可编程定时芯片U3连接，第二与非门U2B的输出端与双稳态电路(6)连接。
7.根据权利要求6所述的一种安全继电器释放延时时间可设的驱动电路装置，其特征在于：所述双稳态电路(6)包括第三与非门U2C、第四与非门U2D、第五电容C5和第六电容C6，第三与非门U2C的一个输入端与可编程定时电路(5)连接，第三与非门U2C的另一个输入端与第四与非门U2D的输出端连接，第五电容C5连接在第三与非门U2C的一个输入端和地之间，第四与非门U2D的一个输入端与第三与非门U2C的输出端连接，第四与非门U2D的另一个输入端与光耦输入电路(1)的输出端连接，第六电容C6连接在VCC和第三与非门U2C的输出端之间。
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