晶体管长延时继电器

（二）晶体三极管长延时继电器

用晶体三极管来制作延时继电器，器材容易解决，调整也简单。图1是一种较简单的晶体三极管延时继电器的原理电路，它的工作过程如下：

1．待启动阶段 电源接通后，电路处于延时准备状态。电容器C的a端通过继电器J\(_{1}\)的常闭触点J1-B与电源电压+E接通，而b端则通过三极管BG\(_{1}\)的发射结接电源零端。在正偏置的作用下， BG1处于饱和状态，因此其发射给压降V\(_{be1}\)≈0。所以电容器两端的电位分别为Va=+E；V\(_{b}\)=0。因BG1饱和，使BG\(_{2}\)发射结电压小于阈值电压而截止。继电器J1的线圈中无电流流过，呈释放状态。

2．启动阶段 按下按钮AN,继电器J\(_{1}\)吸合，常闭触点J1-B断开，常开触点J\(_{1}\)-K接通，使电容器C的a端接零，Va由+E下跳到0，但电容C两端电压不能突变，因此Vb由0下跳到-E，如图2所示。同时，BG\(_{1}\)因发射结反向偏置而截止。BG2的基极电位升高，转入饱和导通状态。此时放开按钮AN，继电器J\(_{1}\)因BG2导通，依然处于吸合状态。

3．延时阶段 从BG\(_{1}\)基极电位跳变为-E开始（图3中t1），电路进入延时状态。BG\(_{1}\)因受反向偏置而截止，此时电容器C将通过电阻R对电源放电，所以b点的电位Vb不能保持在-E不变，而是随时间的推移而逐渐升高。V\(_{b}\)随时间的变化关系见图3。当Vb升到接近于BG\(_{1}\)发射结起始导通电压Vbe1时，曲线出现转折，此时BG\(_{1}\)由截止转向导通，并迅速饱和。图中的虚线部分表示若没有BG1接在b点时，V\(_{b}\)曲线的上升规律。t2点是曲线出现转折的时刻，也就是BG\(_{1}\)由截止转向导通的时刻，t1至t\(_{2}\)。经过的时间t0就是延时时间。在时间轴t上标志的τ、2τ、3τ等是指由t\(_{1}\)开始计算的时间，由计算可知t0≈0.7τ=0.7R·C。

4．复位 当V\(_{b}\)曲线到达图3中的t2点之后，BG\(_{1}\)稳定在导通饱和状态，BG2截止，继电器J\(_{1}\)释放。电路完成了延时释放的任务，仍回到待启动状态。

图1的电路有下列特点：

1．电容器C上的充放电电压变化幅度大，几乎等于电源电压，并且由于BG\(_{1}\)的导通大致处于曲线的0.7τ处，如采用小电流下高hFE的晶体管，此时曲线的变化率尚较大，可以得到较高的延时精度。

2．由于BG\(_{1}\)由截止转向导通的时刻，电容器C两端的电压正处于接近于零的时候，此时电容器上漏电流很小，因而能减轻电容器漏电阻对BG1导通的影响。

3．BG\(_{1}\)的导通工作点比较稳定，除R及C和BG1本身外，不受电路中其它元、器件参数变化的影响。

图4是由图1演变而来的实用电路，适用于较宽的延时范围，由几秒到近一小时。下面谈谈一些元、器件在电路中的作用及其参数的选取。

三极管BG\(_{1}\)和BG2可采用任何一种小功率NPN型硅三极管，其主要参数要求如下：

BV\(_{ceo}\)＞30V；Vces＜1V；I\(_{cM}\)＞20mA；

h\(_{FE}\)（BG1 I\(_{b}\)＝20μA时，BG2 I\(_{b}\)=0.5mA时）≥50

图4中选用了3DG6D，其它3DG或3DK系列的三极管，只要符合上述条件的均可采用。

R\(_{1}\)的选取要从两方面考虑，一是当BG1截止时能供给BG\(_{2}\)足够的基极电流Ib2使其饱和导通；另一是当BG\(_{1}\)导通时不会因Ib2过大致使BG\(_{1}\)不能饱和。图4中BG1导通时的最小I\(_{b1}\)值是18μA，继电器J1线圈的直流电阻是1800Ω，当h\(_{FE1}\)和hFE2均大于50时，R\(_{1}\)选用51KΩ可以满足上述要求。

R\(_{2}\)的用途是限制电容器C的充电电流的。当接通电源或延时结束，J1-B接通的瞬间，C都要快速充电。这个电流将通过BG\(_{1}\)的发射结，如果不加限制可能将BG1的发射结烧毁。当R\(_{2}\)选取1KΩ时，可将充电电流限制在20mA以下。

R\(_{3}\)、D1、D\(_{2}\)的作用是给电容器C的a端加一个约1.4V的偏压。这样可以达到两个目的。一个目的是减轻电容器C漏电流对导通的影响。由于当BG1导通时，电容器C的b端电位要略超过D\(_{5}\)和BG1发射给正向压降之和，约等于+1.4V，如果a端接0V，这时电解电容器C的两端就会出现反向电压，使电容器漏电流加大。a端加正偏压后，使V\(_{a}\)=1.4V，在BG1导通的过程中电容器C两端电压即可接近于零，可以使漏电流大为减小。另一个目的是可以进行温度补偿。因为外D\(_{1}\)、D2上压降的温度系数与D\(_{5}\)和BG1发射结的正向压降温度系数相同，因此可以补偿BG\(_{1}\)导通点的温度漂移，提高了延时精度。

D\(_{5}\)串接于BG1的基极回路中，作用是保护BG\(_{1}\)的发射结。因硅三极管发射结反向耐压一般仅为6V～9V，当b点电位跳到-E时（本例E=25V），会将发射结击穿，所以串入D5保护。D\(_{5}\)的耐压要大于30V,反向漏电流要小，以免对RC放电曲线带来影响。可以用3DG6或3DG4的集电结来替代D5。

继电器J\(_{1}\)选用了JQX-4F型灵敏继电器，线圈直流电阻1800Ω，工作电流14mA。它有两对转换触点，一对用于电路中，另一对可作为输出使用，负载能力是220V·3A。如果用其它型号的继电器，可以适当地改变图4电路的元器件参数，使其与继电器配合。

R＇和W串连起来，阻值之和就是图1中的电阻R。接入R＇的目的是当W调至最小值时，I\(_{b1}\)不致过大，以免损坏BG1的发射结。调整W可以改变延时间t\(_{0}\)，W的数值可根据所需的延时时间和选取的C值来决定，一般情况下W值可在100KΩ至330KΩ之间选择。如欲得到较长延时，可使用大阻值的电位器，但最大不得超过1MΩ，否则BG1将不能保证可靠饱和（除非更换更小电流下有更大h\(_{FE}\)的BG1）。

电容器C应根据所需要的延时时间配合电位器W的数值选取，由100μF至5000μF，耐压在25V以上的钽电解电容器或铝电解电容器经过严格挑选均可采用。电容器的挑选方法可参看上期本文“电容器的选择”一节。最好用钽电解电容器。实际测试表明，凡是出厂时间在一年以内的铝电解电容器大部分也都可以满足要求。

图4的电路中如果W为1MΩ,C为5000μF时，最长延时时间约为一小时。图5是采用恒流源的延时电路，如果电容器C采用5000μF，最长延时时间可达5000秒。调整图5中的电位器W可以使延时时间在70秒至5000秒范围内变化。

上述电路经实际使用证明是可靠的。当使用电解电容器时，因它有漏电流较大、容量不够稳定、温度系数较大等缺点，因而使得延时精度不够理想，能适应的温度范围较窄。实际测试在延时100秒左右时延时误差不超过±1％，1000秒以内不超过±2.5％，一小时内不超过±5％。使用温度最好不超过35℃。

小型金属化纸介电容器和薄膜电容器比电解电容器性能好，但这类电容器容量小，体积大。为解决这个问题，在设计电路时应尽量减小图4中BG\(_{1}\)的基极电流Ib1以增大电阻R的数值，达到较长的延时。但是I\(_{b1}\)不能随意减小，三极管的hFE值在小电流工作状态下随着I\(_{c}\)的减小而降低，同时还要受三极管反向漏电流的限制。可以选用3DG6、3DG4等型号的三极管，我们在实验中挑出常温下Icbo在0.1nA（毫微安）以下的管子，当I\(_{b}\)为100nA时，hFE约在10～50之间。这类三极管约占3DG6B、C、D中的30％，3DG4中的10%（当然，同时还应考虑到BV\(_{ceo}\)＞30V这一条件）。使用这种经过挑选的三极管，配合漏电流小的小容量电容器，可以制作出较理想的长延时继电器。

图6就是用上述三极管制作的一种长延时继电器，它也是由图1演变而来的，与图4的区别是多加了一级放大。下列几点可供制作时参考。

1．三极管BG\(_{5}\)是作为二极管使用的，对它的要求较严格，要求BVcbo＞30V，I\(_{cbo}\)在30V下常温时要小于0.05nA,只有这样才能保证50℃下反向漏电流不超过1nA,并可得到在较高温度下的延时精度。2．三极管BG1在I\(_{b}\)=100nA时，hFE应不小于25，挑选方法如图7所示。当开关K打开时，电表M应无读数，K闭合时，M的指示应大于2.5μA。3．BG\(_{2}\)的Ib=1μA时，h\(_{FE}\)应大于50。也可以用图7的方法挑选，将图中的电阻R改为4.7MΩ，表M的满度电流改为100μA即可。BG2和BG\(_{4}\)的hFE要大于40。4．电容器C可选用金属化纸介电容器或薄膜电容器。若用金属化纸介电容器，应采用上期讲的方法进行挑选，要求是常温下τ\(_{c}\)大于200×10\(^{3}\)秒，Rc大于10千兆欧。若用涤纶电容器，只要是合格产品可不经过挑选。5．电位器W的最大值是200MΩ。为调整延时时间t\(_{0}\)应改变W的数值。实际上没有这么大阻值的电位器，因此只好采用单刀多掷转换开关来改变W值的大小。为了换档时能与延时时间成整数对应关系，应按t0=0.69R·C精确计算出每档电阻值。6．为了达到较长的延时时间t\(_{0}\)，可采用图8的恒流源代替图6中的W和R＇。恒流源中的三极管BG6应选用常温下I\(_{cbo}\)＜0.1nA，Ic=100nA时h\(_{FE}\)＞20。图8的最小恒流输出为100nA，改变W的数值可调整恒流输出电流值，也就改变了延时时间。下表是当图6电路中W＋R＇=200MΩ时的实际测试和理论计算结果。

表中的数据是在室温下测得的，当环境温度在55℃时，延时时间会略有缩短，但电路动作仍然很可靠。常温下的延时误差不超过±0.5％，50℃时不超过±2.5％。图6电路的缺点是其中的BG\(_{5}\)、BG1需经挑选，要求比较严格。

用晶体三极管制作的延时继电器，加大延时时间的主要障碍是三极管导通时需要足够的基极电流，因而延时电阻R不可能很大，同时还受到三极管反向漏电流的限制。所以要想达到更长的延时，就应该采用其他半导体器件或另行改变线路设计。(刘铁城)