Часто у радиолюбителя возникает потребность в электронном таймере — устройстве, включающем или отключающем внешнюю нагрузку в заданный момент времени. Схемы подобных устройств не раз публиковались в радиолюбительских изданиях. Они отличаются друг от друга по степени сложности, функциональным возможностям, конструктивной реализации. В публикуемой статье автор предлагает еще одну, очень простую конструкцию, выполненную на базе дешевых электронных часов китайского производства.

Большинство известных таймеров выполнено либо в виде приставки к серийным электронным часам, либо уже содержат в себе электронные часы (например, на базе БИС К145ИК1901). Общим недостатком большинства известных устройств является сравнительно большое число элементов, наличие отдельного источника питания, а часто также и дополнительного корпуса, нередко достаточно больших размеров. Все это усложняет задачу изготовления таймера.

Особенность предлагаемой конструкции в том, что все детали таймера помещаются в корпусе базовых электронных часов, причем необходимые доработки конструкции часов минимальны. Кроме того, таймер содержит небольшое число элементов и потребляет малый ток, что позволило отказаться от дополнительного источника питания (используется батарея часов).

Таймер выполняет функцию замыкания внешней цепи в заранее установленное время. Возврат в исходное состояние осуществляется вручную. Изменением настроек устройства можно также получить функции размыкания внешней цепи и кратковременного замыкания или размыкания внешней цепи (например, для подачи сигнала запуска какой-либо автоматики).

В качестве базовых часов могут быть использованы любые электронные часы с питанием от гальванического элемента напряжением 1,5В, имеющие функцию будильника и электродинамический звуковой индикатор. В описываемой конструкции были применены карманные электронные часы с будильником "TRAVEL CLOCK" гонконгского производства.

Рис.1.

Принципиальная схема таймера показана на рис. 1. Добавленные элементы изображены линией увеличенной толщины. Устройство содержит входную цепь R1C1, усилитель постоянного тока на транзисторе VT2 и выходной ключ, выполненный на реле К1.

Таймер обеспечивает замыкание (либо размыкание) внешней цепи при срабатывании будильника часов. Гальваническая развязка с выходной цепью, подключаемой к разъему Х1, обеспечивает высокую помехоустойчивость устройства. Особенность таймера в том, что в нем применено специальное реле, называемое реле с магнитной фиксацией.

Оно отличается от обычного тем, что его якорь способен оставаться как в отпущенном, так и в притянутом состоянии даже при отсутствии тока в обмотке. Следовательно, энергия источника питания потребляется только при изменении состояния реле, что значительно повышает экономичность устройства.

Принцип действия такого реле состоит в следующем. Характеристика любого реле обладает ярко выраженным гистерезисом. Это означает, что для срабатывания реле требуется большая магнитодвижущая сила (МДС), чем та, которая достаточна для удержания его якоря в притянутом состоянии.

Рис.2.

Схематично такая характеристика изображена на рис. 2. Здесь по оси абсцисс отложена величина МДС обмотки F, а на оси ординат условно изображены точки, соответствующие притянутому (1) и отпущенному (0) состоянию якоря реле. В обычном реле МДС срабатывания Fcp и МДС отпускания Ротп больше нуля и, следовательно, при отключенной обмотке оно может находиться только в отпущенном состоянии.

В реле с магнитной фиксацией, кроме МДС обмотки, существует еще добавочная МДС, создаваемая постоянным магнитом, причем ее величина больше МДС отпускания, но меньше МДС срабатывания. Следовательно, при отключенной обмотке реле может находиться как в отпущенном состоянии якоря, так как МДС магнита недостаточна для срабатывания, так и в притянутом, поскольку МДС магнита достаточна для удержания якоря в притянутом состоянии.

Для перевода реле из одного состояния в другое необходимо пропустить через его обмотку короткий импульс тока того или иного знака. При этом МДС обмотки либо складывается с МДС магнита и результирующая МДС становится достаточной для срабатывания реле, либо вычитается — в этом случае результирующая МДС становится меньше МДС отпускания. Характеристика реле с магнитной фиксацией показана на рис. 3.

Работа таймера

Таймер работает так. Когда сигнал от базовых часов не подается, транзистор VT2 закрыт, ток через обмотку реле не протекает и оно находится в одном из устойчивых состояний (например, разомкнутом, далее для наглядности будет рассматриваться случай, когда таймер работает на включение). Конденсатор С2 заряжается через резистор R2 до напряжения питания.

Когда срабатывает будильник базовых часов, на их звуковой индикатор ВА1 начинают подаваться серии прямоугольных импульсов с частотой около 1 кГц. Эти импульсы проходят через цепь VD2R1C1 и открывают транзистор VT2. В результате конденсатор С2 разряжается на обмотку реле К1, формируя импульс тока.

Рис.3.

При этом реле срабатывает, его контакты К1.1 замыкаются и остаются в замкнутом состоянии, поскольку якорь притянут магнитным потоком постоянного магнита. После разрядки конденсатора ток через обмотку падает до значения, ограниченного большим сопротивлением резистора R2, чем и достигается высокая экономичность всего устройства.

Для размыкания контактов реле (возврата в исходное состояние) используется дополнительный внешний постоянный магнит, который подносится к реле снаружи корпуса часов так, что его МДС вычитается из общей МДС реле, вызывая его отпускание.

Диод VD1 предотвращает перенапряжения в обмотке звукоизлучателя ВА1. При отсутствии диода возможны сбои в работе устройства в результате воздействия на БИС часов импульсных перенапряжений. Аналогичную функцию выполняет диод VD3.

Детали

В таймере применены следующие детали: резисторы УЛМ, конденсаторы КМ (С1), К53-14 (С2). Они могут быть заменены на другие малогабаритные с подходящими параметрами. Конденсатор С2 должен иметь минимальную утечку.

Рис.4.

Диод VD2 должен быть германиевым, так как кремниевый диод может не открыться при малой амплитуде сигнала (например, при частично разряженном элементе), остальные диоды — любые малогабаритные, например, серий КД503, КД509, КД521, КД522, Д220.

Транзистор VT2, кроме малых габаритов, должен иметь малый обратный ток коллектора и, желательно, малое напряжение насыщения. Подходят, например, транзисторы серий КТ209, КТ3107. Эти требования определяются минимизацией потребляемого тока.

Реле самодельное, на базе геркона КЭМ-2А. Обмотка реле наматывается на каркас из плотной бумаги и содержит 1500 витков провода ПЭВ диаметром 0,1 мм. Длина намотки (расстояние между щечками каркаса) — 17 мм, внутренний диаметр каркаса — 3 мм. Каркас с обмоткой надевается на середину колбы геркона. Сопротивление обмотки получилось около 70 Ом. Для создания постоянного смещения используется малогабаритный постоянный магнит.

Монтаж таймера

Монтаж таймера показан на фотографии (рис. 4). Реле укладывается в свободное пространство около звукового излучателя и фиксируется компаундом (например, парафином). Остальные элементы устройства размещаются поверх платы часов. Монтаж навесной, с применением жестких монтажных проводов.

Крепление элементов к плате и одновременно электрическое соединение с базовыми часами осуществляется с помощью выводов элементов С2, R2 и VD2. Выводы пропускают через просверленные в плате отверстия и с обратной стороны припаивают к соответствующим печатным дорожкам.

Если монтаж окажется недостаточно жестким, элементы могут быть дополнительно закреплены с помощью компаунда. Расположение элементов и отверстий в плате необходимо уточнить применительно к разводке печатных дорожек на плате конкретного экземпляра часов.

Для подключения внешней цепи в корпусе часов установлен малогабаритный штепсельный разъем, например, колодка МГК1-1. Ее корпус аккуратно сошлифовывают до толщины 5 мм и приклеивают в крышке часов, предварительно вырезав в ней выемки для гнезд. Соединение с выводами геркона осуществляется парой гибких проводов. Возможно также и неразборное соединение с внешней цепью, без применения разъема.

Внешний постоянный магнит, используемый для возврата реле в исходное состояние, желательно выполнить, например, в виде брелка, конструкция которого обеспечивает его поднесение к реле одним и тем же полюсом. Конструкция брелка не приводится, так как она зависит от размеров и формы применяемого магнита.

Настройка

Настройка таймера сводится к подбору положения постоянного магнита. Для этого к контактам геркона подключают омметр-пробник и медленно подносят магнит к геркону. В момент замыкания контактов отмечают положение магнита и медленно отодвигают магнит от геркона. Отмечают положение магнита в момент размыкания контактов и затем закрепляют магнит на плате между двумя метками.

Затем проверяют работу реле следующим образом. При установленной батарее питания кратковременно замыкают выводы эмиттера и коллектора транзистора VT2, при этом реле должно сработать и остаться в притянутом состоянии. Если срабатывания не происходит, то необходимо поменять местами выводы обмотки.

Окончательную проверку таймера проводят при подаче сигнала базовыми часами. У некоторых типов часов имеется режим принудительной подачи сигнала, например, у часов “TRAVEL CLOCK” он вызывается при одновременном нажатии на левую и среднюю кнопки, при этом светятся все сегменты индикатора, и подается звуковой сигнал. Для того чтобы таймер работал на размыкание, необходимо поменять местами выводы обмотки реле. Тогда при срабатывании таймера будет происходить размыкание геркона, предварительно замкнутого внешним магнитом.

Для получения функции кратковременного замыкания контактов магнит устанавливают так, чтобы его МДС была недостаточна для удержания контактов замкнутыми (за второй меткой). В этом случае реле К1 работает как обычное поляризованное реле. Функцию кратковременного размыкания получают, установив магнит перед первой меткой (так, чтобы его МДС была достаточна для срабатывания геркона) и поменяв местами выводы обмотки.

Поскольку в последних двух случаях реле имеет больший ток срабатывания, следует проверить надежность его работы при пониженном напряжении питания и, в случае необходимости, перемотать обмотку более толстым проводом (для уменьшения ее сопротивления). Если время замкнутого (разомкнутого) состояния недостаточно, следует применить конденсатор С2 большей емкости.

Необходимое время срабатывания таймера устанавливают обычным образом — выбором соответствующего времени на будильнике часов. Включение и выключение таймера осуществляются включением/выключением подачи сигнала будильника на базовых часах. Ввиду малого потребления тока таймером (в ждущем режиме он определяется лишь утечками) отдельного выключения питания не предусмотрено.

Необходимо проследить, чтобы на часах были выключены все остальные функции, дающие звуковые сигналы (например, подача сигнала каждый час), в противном случае произойдет ложное срабатывание. Возврат реле внешним магнитом следует производить после прекращения подачи часами звукового сигнала, в противном случае сразу после возврата произойдет повторное срабатывание таймера.

Таймер может быть использован, например, в качестве будильника (когда громкости штатного звукового излучателя недостаточно), при этом контакты реле включаются в цепь внешнего звукового излучателя. Возможно, также использование двухобмоточного дверного звонка, тогда контакты подключаются к его вторичной (низковольтной) обмотке.

Внимание!!! Изоляция реле не рассчитана на подачу сетевого напряжения. При необходимости управлять высоковольтными нагрузками следует использовать дополнительный коммутатор.