Гистерезис реле обеспечивает функцию переключения

В этой статье мы увидим, как электромеханические реле демонстрируют гистерезисное поведение, удивительно похожее на поведение твердотельных схем триггера Шмитта, и как их можно использовать во многих аналогичных приложениях. Источником вдохновения для этой идеи послужила работа Владимира Олейника «Переключатель на триггере Шмитта» [1]. Отчасти она также связана с публикациями Энтони Смита [2, 3, 4].

Сема, показанная на Рисунке 1, основана на электромеханическом подходе к реализации функции переключения, использующем в конструкции Олейника реле вместо микросхемы триггера Шмитта.

Рисунок 1.	Кнопочный переключатель.

Подобно триггерам Шмитта, реле нелинейны и имеют гистерезис. Здесь использовалось обычное двухполюсное реле на два направления (DPDT) типа HK19F в корпусе DIP с рабочим напряжением 12 В. Типовое напряжение срабатывания равно 7.3 В (10 мА), а типовое напряжение отпускания равно 2.7 В (3 мА). Эти значения были получены на основании измерения дюжины реле или около того. Типовое время включения этого реле составляет 5 мс.

При включении питания через обмотку реле протекает ток подмагничивания порядка 6 мА, ограниченный резистором R1. Для срабатывания реле этого недостаточно, поэтому оно остается включенным. Через нормально замкнутые контакты первой группы реле K1 на верхний по схеме конец резистора R2 подается напряжение 12 В. При нажатии кнопки конденсатор C1 примерно за 60 мс заряжается до напряжения V+. При отпускании кнопки через обмотку K1 проходит импульс тока, обусловленный разрядом конденсатора, заряженного до 12 В. Этот импульс активирует реле, которое остается включенным и после разряда конденсатора за счет гистерезиса и тока подмагничивания. При включенном реле контакт группы 1 замкнут, и верхний конец резистора R2 заземлен. Таким образом, при повторном нажатии кнопки конденсатор полностью разряжается, а при отпускании эффективно шунтирует обмотку на землю, выключая реле. Оно остается выключенным, поскольку ток обмотки теперь ниже порога срабатывания.

Преимущество этой схемы состоит в том, что сохранение ее состояния не требует удержания, и, таким образом, оставляет одну группу контактов реле изолированной и свободной для коммутации нагрузок. Она обеспечивает функцию включения/выключения питания при минимальных размерах корпуса.

Эти базовые модули переключателей можно включать каскадно для реализации двоичного счетчика. На Рисунке 2 показана схема четырехразрядного счетчика. Входными сигналами для него являются 12-вольтовые импульсы. При номиналах компонентов, показанных на Рисунке 1, счетчик может отрабатывать сигналы с частотой до 30 Гц.

Рисунок 2.	Четырехразрядный счетчик, управляемый перестраиваемым автоколебательным генератором.

Обратите внимание, что на Рисунке 2 логические связи модулей иллюстрируются изображениями магнитных полей обмоток реле (пунктирные линии) как части сигнальных связей. Физически каждое реле является частью двух последовательных разрядов счетчика.

Счетчик испытывался с использованием построенного на реле генератора, также показанного на Рисунке 2. С точки зрения цифровой логики, это, по сути, автоколебательный генератор, реализованный с помощью одного буфера и следующего за ним инвертора с RC контуром обратной связи. Использование 6-вольтового реле с источником питания 12 В обеспечивает относительно широкий диапазон регулирования частоты. Благодаря петле обратной связи 6-вольтовое реле не подвергается перенапряжениям. В ходе испытаний было достигнуто перекрытие по частоте более 5:1, при этом с показанными на Рисунке 1 номиналами компонентов диапазон частот составлял от 1.2 Гц до 10 Гц.

Конечно же, доступно множество типов реле, и существует множество вариантов таких схем. Потенциальными приложениями могут быть метрономы и часы. Интересной задачей является создание точных источников частоты с использованием только реле и пассивных компонентов. Еще одна задача состоит в том, чтобы спроектировать эти схемы таким образом, чтобы они могли бы быть построены до эпохи, когда в качестве активных или пассивных коммутационных компонентов стали доступными лампы, транзисторы и микросхемы.

Ссылки

1. Vladimir Oleynik. «Переключатель на триггере Шмитта»
2. Smith, Anthony, "A new and improved latching power switch".
3. Anthony Smith. «Выключатель питания с нулевым потреблением мощности на основе нефиксируемой кнопки»
4. Smith, Anthony, "Latching power switch uses momentary-action pushbutton".

Материалы по теме

1. Datasheet Ever-way HK19F