Jak zbudować logiczne obwody sterujące za pomocą przekaźników: od przełączania sygnałów do napędu silnikowego

Podstawy przekaźników: głębokie zanurzenie się w podstawowych komponentach

Podstawowe komponenty

Cewka:

„Wejście” przekaźnika. Po włączeniu generuje pole magnetyczne, które napędza mechanizm mechaniczny.

Kluczowymi parametrami są napięcie cewki (np. 5 V, 12 V, 24 V DC) i rezystancja cewki, które określają wymagany prąd przemiennika.

Kontakty

„Wyjście” i element wykonawczy przekaźnika. Konfiguracje mogą być:

• Jednobiegunowy pojedynczy rzut (SPST): Podobnie jak prosty przełącznik, tylko stany włączenia/wyłączenia.
• Jednobiegunowy podwójny rzut (SPDT): Rdzeń obwodów logicznych. Zacisk wspólny (COM) może przełączać pomiędzy stykami normalnie zamkniętymi (NC) i normalnie otwartymi (NO).
• Dwubiegunowy podwójny rzut (DPDT): Odpowiednik dwóch połączonych ze sobą przekaźników SPDT, klucz do skomplikowanych operacji przełączania, takich jak sterowanie kierunkiem silnika.

Kluczowe parametry elektryczne

Implementacja przekaźników podstawowych funkcji logicznych

Poniżej przedstawiono klasyczne obwody wykorzystujące przekaźniki SPDT do budowy podstawowych bramek logicznych. Należy pamiętać, że są to „układy równoważne” realizujące funkcje logiczne, a nie nowoczesne cyfrowe układy scalone.

Bramka logiczna „NIE”.

Cel: Stan wyjściowy jest zawsze przeciwny do stanu wejściowego.

Analiza obwodu:

Gdy sygnał wejściowy jest NISKI, cewka nie jest zasilana, COM łączy się z Vcc poprzez styk NC, a wyjście jest WYSOKIE.

Gdy wejście ma stan WYSOKI, cewka jest zasilana, COM odłącza się od NC i łączy z zaciskiem NO (bezpotencjałowym lub uziemionym), a wyjście jest NISKIE.

Praktyka inżynierska:

Dioda Flyback jest obowiązkowa! Jest on podłączony odwrotnie, równolegle do cewki (katoda do V), aby absorbować tylne pole elektromagnetyczne generowane przez cewkę po odłączeniu zasilania, zapobiegając uszkodzeniu tranzystora sterującego lub styków we/wy mikrokontrolera przez skoki wysokiego napięcia.

Bramka logiczna „OR”.

Cel : Wyjście jest WYSOKIE, jeśli którekolwiek z wielu wejść jest WYSOKIE.

Analiza obwodu :

Styki normalnie otwarte (NO) dwóch (lub więcej) przekaźników są połączone równolegle.

Jeśli którekolwiek wejście ma stan WYSOKI, odpowiedni styk NO zamyka się, łącząc Vcc z wyjściem.

Scenariusz zastosowania :

Sterowanie uruchamianiem w wielu lokalizacjach, np. urządzenie uruchamia się po naciśnięciu jednego z kilku przycisków „Start”.

Bramka logiczna „AND”.

Cel : Wyjście jest WYSOKIE tylko wtedy, gdy wszystkie wejścia są jednocześnie WYSOKIE.

Analiza obwodu :

Styki normalnie otwarte (NO) dwóch (lub więcej) przekaźników są połączone szeregowo.

Tylko wtedy, gdy wszystkie wejścia są w stanie WYSOKIM, wszystkie styki NO zamykają się jednocześnie, tworząc pełną ścieżkę od Vcc do wyjścia.

Scenariusz zastosowania :

Sterowanie blokadą bezpieczeństwa, np. oba warunki: „Drzwi ochronne zamknięte” ORAZ „Naciśnięty przycisk Start”, muszą zostać spełnione, aby maszyna mogła zostać uruchomiona.

Klasyczne zastosowanie inżynieryjne: System sterowania kierunkiem silnika prądu stałego

Jest to jedno z najbardziej reprezentatywnych zastosowań przełączania logiki przekaźnika, a mianowicie budowanie obwodu sterującego mostka H.

Opcja 1: Kompaktowe rozwiązanie z jednym przekaźnikiem

Zasada działania :

Spoczynek/Stan domyślny: Cewka pozbawiona napięcia, zaciski silnika A, B-, silnik obraca się w jednym kierunku (np. do przodu).

Stan aktywny: Cewka pod napięciem, oba zestawy styków przełączają się jednocześnie, zaciski silnika stają się A-, B, polaryzacja silnika zostaje odwrócona i obraca się w przeciwnym kierunku.

Zalety :

Prosty obwód, niewiele elementów, niski koszt.

Będąc połączonym mechanicznie, w naturalny sposób unika się ryzyka zwarć w zasilaniu.

Wada :

Może osiągnąć tylko dwie prędkości (pełna prędkość do przodu/do tyłu), nie może zapewnić kontroli prędkości.

Opcja 2: Elastyczne rozwiązanie z dwoma przekaźnikami

Zasada działania :

Do przodu: Tylko „przekaźnik do przodu” jest zasilany.

Aktualna ścieżka : Zasilanie → Styk przekaźnika 1 → M → M- → Zacisk NC przekaźnika 2 → Zasilanie -.

Rewers: Zasilany jest tylko „przekaźnik biegu wstecznego”.

Aktualna ścieżka : Zasilanie → Styk przekaźnika 2 → M- → M → Zacisk NC przekaźnika 1 → Zasilanie -.

Stop: Obydwa przekaźniki są odłączone od zasilania.

Zalety :

Wysoka elastyczność : Łatwe dodanie stanu „Stop”.

Łatwa do wdrożenia blokada: Zapewnia w logice sterowania, że ​​oba przekaźniki nie mogą być zasilane jednocześnie, zapobiegając zwarciu zasilania.

Wada :

Wymaga dodatkowej logiki blokującej (mogą to być styczniki blokowane mechanicznie lub logika elektryczna w obwodzie).

Integracja systemu i rozważania praktyczne

Ten diagram pokazuje, jak wejście użytkownika (przełącznik Fwd/Rev) jest zintegrowane z logiką sterowania. Różne pozycje przełączników zapewniają różne ścieżki prądowe dla cewek przekaźników, określając stan silnika.

Ten diagram kładzie nacisk na integralność systemu :

Sekcja mocy: BAT1/BAT2 (źródło zasilania), MOT_1 (obciążenie), RLY1 (siłownik).

Sekcja Kontrolna : „Obwód kontroli polaryzacji” (obwód sterownika przekaźnika). Ta część może być zbudowana przy użyciu tranzystorów, mikrokontrolerów, układów logicznych itp. i służy jako inteligentny mózg sterujący.

Zaawansowana konstrukcja i inżynieria niezawodności

Aby zamienić schematyczny obwód w stabilny i niezawodny produkt, należy wziąć pod uwagę następujące szczegóły konstrukcyjne:

Projekt obwodu napędu cewki

Styki we/wy mikrokontrolera mają ograniczone możliwości napędu; jako przełącznik sterujący cewką przekaźnika należy zastosować tranzystor lub MOSFET.

Oblicz wymagany rezystor bazowy, aby zapewnić nasycenie tranzystora i zapewnienie wystarczającego prądu cewki.

Obwód ochrony styków

Podczas wyłączania obciążeń indukcyjnych, takich jak silniki, pomiędzy stykami występuje intensywny łuk, powodując ich erozję i skracając ich żywotność.

Obwód tłumika RC: Podłącz rezystor i kondensator szeregowo, a następnie równolegle przez styki. To skutecznie pochłania energię i tłumi łuki.

Warystor tlenku metalu (MOV): Podłącz styki, aby absorbować przepięcia.

Blokada sprzętowa

W przypadku rozwiązania z dwoma przekaźnikami absolutnie kluczowe jest zapewnienie, aby przekaźniki ruchu w przód i w tył nigdy nie były zasilane jednocześnie, ponieważ spowodowałoby to bezpośrednie zwarcie na zaciskach zasilania z katastrofalnymi konsekwencjami.

Metoda 1: Użyj styczników blokowanych mechanicznie, w których załączenie jednego fizycznie uniemożliwia załączenie drugiego.

Metoda 2: Zaprojektuj blokadę elektryczną na poziomie obwodu napędu, np. poprzez połączenie styku NC jednego przekaźnika szeregowo z cewką drugiego przekaźnika.

Wskazanie stanu i diagnostyka

Umieścić równolegle wskaźnik LED na cewce przekaźnika, aby wizualnie wyświetlić aktualny stan.

Dołącz bezpiecznik lub resetowalny bezpiecznik PTC w pętli sterującej w celu zabezpieczenia nadprądowego.

Poznaj nasze produkty przekaźnikowe

FANHAR Electronics zapewnia wysoką wydajność przekaźniki mocy zaprojektowane z myślą o współczesnych inteligentnych domach, sterowaniu przemysłowym, nowych systemach energetycznych i innych wymagających zastosowaniach. Dzięki 30 seriom i setkom specyfikacji nasze portfolio oferuje optymalne połączenie możliwości przełączania, efektywności energetycznej i niezawodności.

Często zadawane pytania

P1: Dlaczego dioda flyback jest obowiązkowa na cewce przekaźnika?

Kiedy cewka jest pozbawiona zasilania, jej indukcyjność generuje impuls napięcia wstecznego (wsteczne pole elektromagnetyczne). Dioda flyback zapewnia bezpieczną ścieżkę cyrkulacji prądu cewki, zaciskając kolec i chroniąc tranzystor, pin MCU lub inny obwód sterownika.

P2: Jaka jest różnica między NO, NC i COM?

COM to wspólny terminal. NC (normalnie zamknięty) jest podłączony do COM, gdy cewka jest pozbawiona zasilania. NO (normalnie otwarty) jest odłączony od COM, gdy cewka jest pozbawiona zasilania i łączy się z COM, gdy cewka jest zasilana. Przekaźnik SPDT przełącza COM pomiędzy NC i NO.

P3: Jak zbudować logikę OR i AND za pomocą przekaźników?

połączyć styki NO dwóch lub więcej przekaźników równolegle. Jeśli którykolwiek przekaźnik zostanie pobudzony, wyjście jest podłączone do Vcc. ORAZ: połącz styki NO szeregowo. Dopiero po zasileniu wszystkich przekaźników ścieżka od Vcc do wyjścia zostaje zamknięta.

P4: Czy można używać przekaźników do sterowania prędkością PWM silnika prądu stałego?

Generalnie nie. Przekaźniki elektromechaniczne mają milisekundowe czasy działania/zwalniania i ograniczoną trwałość mechaniczną/elektryczną, co czyni je nieodpowiednimi dla PWM o wysokiej częstotliwości. Do sterowania prędkością PWM należy używać tranzystorów MOSFET, IGBT lub przekaźników półprzewodnikowych.

P5: Jak wybrać pomiędzy przekaźnikiem elektromechanicznym a przekaźnikiem półprzewodnikowym (SSR)?

Wybierz przekaźnik elektromechaniczny zapewniający wysoką izolację, dużą moc, niski koszt i prostą logikę, szczególnie gdy prędkość przełączania nie jest krytyczna. Wybierz SSR ze względu na wysoką częstotliwość przełączania, długą żywotność i brak ruchomych części, ale weź pod uwagę prąd upływowy, rozpraszanie ciepła i koszt.