Come costruire circuiti di controllo logico con relè: dalla commutazione del segnale all'azionamento del motore

Nozioni fondamentali sui relè: approfondimento sui componenti principali

Componenti principali

Bobina:

L'"ingresso" del relè. Quando energizzato, genera un campo magnetico che aziona il meccanismo meccanico.

I parametri chiave sono la tensione della bobina (ad esempio, 5 V, 12 V, 24 V CC) e la resistenza della bobina, che determinano la corrente di azionamento richiesta.

Contatti

L'"uscita" e l'attuatore del relè. Le configurazioni possono essere:

• Single Pole Single Throw (SPST): come un semplice interruttore, solo stati On/Off.
• Single Pole Double Throw (SPDT): il nucleo dei circuiti logici. Un terminale comune (COM) può commutare tra i contatti normalmente chiuso (NC) e normalmente aperto (NO).
• Double Pole Double Throw (DPDT): equivalente a due relè SPDT interconnessi, chiave per commutazioni complesse come il controllo della direzione del motore.

Parametri elettrici chiave

Implementazione a relè delle funzioni logiche di base

I seguenti sono circuiti classici che utilizzano relè SPDT per costruire porte logiche di base. Si noti che questi sono "circuiti equivalenti" che implementano funzioni logiche, non i moderni circuiti integrati digitali.

Porta logica "NOT".

Obiettivo: Lo stato di uscita è sempre l'opposto dello stato di ingresso.

Analisi del circuito:

Quando l'ingresso è BASSO, la bobina non è eccitata, COM si collega a Vcc tramite il contatto NC e l'uscita è ALTA.

Quando l'ingresso è ALTO, la bobina è eccitata, COM si disconnette da NC e si collega al terminale NO (che è flottante o messo a terra) e l'uscita è BASSO.

Pratica di ingegneria:

Un diodo flyback è obbligatorio! È collegato in parallelo inverso ai capi della bobina (da catodo a V), per assorbire la forza elettromotrice generata dalla bobina quando diseccitata, impedendo che picchi di alta tensione danneggino il transistor di pilotaggio o il pin I/O del microcontrollore.

Porta logica "OR".

Obiettivo : L'uscita è ALTA se uno qualsiasi degli ingressi multipli è ALTA.

Analisi del circuito :

I contatti normalmente aperti (NO) di due (o più) relè sono collegati in parallelo.

Se un qualsiasi ingresso è ALTO, il corrispondente contatto NO si chiude, collegando Vcc all'uscita.

Scenario applicativo :

Controllo di avvio multi-posizione, ad esempio un dispositivo si avvia se viene premuto uno qualsiasi dei numerosi pulsanti "Avvio".

Porta logica "AND".

Obiettivo : L'uscita è ALTA solo se tutti gli ingressi sono ALTI contemporaneamente.

Analisi del circuito :

I contatti normalmente aperti (NO) di due (o più) relè sono collegati in serie.

Solo quando tutti gli ingressi sono ALTI tutti i contatti NO si chiudono contemporaneamente, formando un percorso completo da Vcc all'uscita.

Scenario applicativo :

Affinché la macchina possa avviarsi, è necessario che siano soddisfatte entrambe le condizioni di "Porta di protezione chiusa" E "Pulsante di avvio premuto".

Applicazione ingegneristica classica: sistema di controllo della direzione del motore CC

Questa è una delle applicazioni più rappresentative della commutazione logica dei relè, ovvero la costruzione di un circuito di pilotaggio a ponte H.

Opzione 1: soluzione compatta a relè singolo

Principio di funzionamento :

Stato di riposo/predefinito: bobina diseccitata, terminali del motore A, B-, il motore ruota in una direzione (ad esempio, in avanti).

Stato attivato: bobina eccitata, entrambi i gruppi di contatti commutano simultaneamente, i terminali del motore diventano A-, B, la polarità del motore si inverte, ruotando nella direzione opposta.

Vantaggi :

Circuito semplice, pochi componenti, basso costo.

Essendo collegato meccanicamente evita naturalmente il rischio di cortocircuiti nell'alimentazione.

Svantaggio :

Può raggiungere solo due velocità (massima velocità avanti/retromarcia), non può fornire il controllo della velocità.

Opzione 2: soluzione flessibile a doppio relè

Principio di funzionamento :

Avanti: solo il "Relè Avanti" si eccita.

Percorso attuale : Alimentazione → Contatto Relè1 → M → M- → Terminale NC del Relè2 → Alimentazione -.

Reverse: si eccita solo il "relè inverso".

Percorso attuale : Alimentazione → Contatto Relè2 → M- → M → Terminale NC del Relè1 → Alimentazione -.

Arresto: entrambi i relè sono diseccitati.

Vantaggi :

Elevata flessibilità : Facile aggiungere uno stato "Stop".

Interblocco facile da implementare: garantisce nella logica di controllo che entrambi i relè non possano eccitarsi contemporaneamente, prevenendo un cortocircuito dell'alimentazione.

Svantaggio :

Richiede logica di interblocco aggiuntiva (potrebbero essere contattori interbloccati meccanicamente o interblocco logico elettrico nel circuito).

Integrazione del sistema e considerazioni pratiche

Questo diagramma mostra come l'input dell'utente (interruttore avanti/indietro) è integrato nella logica di controllo. Diverse posizioni dell'interruttore forniscono diversi percorsi di corrente per le bobine dei relè, determinando lo stato del motore.

Questo diagramma enfatizza l'integrità del sistema :

Sezione di potenza: BAT1/BAT2 (Fonte di alimentazione), MOT_1 (Carico), RLY1 (Attuatore).

Sezione di controllo : "Circuito di controllo della polarità" (circuito driver relè). Questa parte può essere costruita utilizzando transistor, microcontrollori, chip logici, ecc. e funge da cervello di controllo intelligente.

Ingegneria avanzata di progettazione e affidabilità

Per trasformare un circuito schematico in un prodotto stabile e affidabile, è necessario considerare i seguenti dettagli tecnici:

Progettazione del circuito di azionamento della bobina

I pin I/O del microcontroller hanno capacità di azionamento limitate; un transistor o MOSFET deve essere utilizzato come interruttore per pilotare la bobina del relè.

Calcolare il resistore di base richiesto per garantire che il transistor si saturi e fornisca una corrente alla bobina sufficiente.

Circuito di protezione dei contatti

Quando si interrompono carichi induttivi come i motori, si verificano intensi archi tra i contatti, erodendoli e riducendone la durata.

Circuito soppressore RC: collegare un resistore e un condensatore in serie, quindi in parallelo tra i contatti. Questo assorbe efficacemente l'energia e sopprime gli archi.

Varistore all'ossido di metallo (MOV): collegare i contatti per assorbire i picchi di tensione.

Interblocco hardware

Nella soluzione a doppio relè, è assolutamente fondamentale garantire che i relè Avanti e Indietro non si energizzino mai contemporaneamente, poiché ciò causerebbe un cortocircuito diretto tra i terminali di alimentazione con conseguenze disastrose.

Metodo 1: utilizzare contattori interbloccati meccanicamente, in cui uno impegnato fisicamente impedisce all'altro di impegnarsi.

Metodo 2: progettare l'interblocco elettrico a livello del circuito di comando, ad esempio collegando il contatto NC di un relè in serie con la bobina dell'altro relè.

Indicazione di stato e diagnostica

Mettere in parallelo un indicatore LED attraverso la bobina del relè per visualizzare visivamente lo stato corrente.

Includere un fusibile o un fusibile ripristinabile PTC nel circuito di controllo per la protezione da sovracorrente.

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Domande frequenti

D1: Perché è obbligatorio un diodo flyback sulla bobina del relè?

Quando la bobina è diseccitata, la sua induttanza genera un picco di tensione inversa (back EMF). Il diodo flyback fornisce un percorso di circolazione sicuro per la corrente della bobina, bloccando il picco e proteggendo il transistor, il pin MCU o altri circuiti del driver.

Q2: Qual è la differenza tra NO, NC e COM?

COM è il terminale comune. NC (normalmente chiuso) è collegato a COM quando la bobina è diseccitata. NO (normalmente aperto) è disconnesso da COM quando la bobina è diseccitata e si collega a COM quando la bobina è eccitata. Un relè SPDT commuta COM tra NC e NO.

Q3: Come posso creare la logica OR e AND con i relè?

collegare in parallelo i contatti NO di due o più relè. Se qualche relè si eccita, l'uscita è collegata a Vcc. AND: collegare in serie i contatti NO. Solo quando tutti i relè si eccitano il percorso da Vcc all'uscita si chiude.

D4: È possibile utilizzare relè per il controllo della velocità PWM di un motore CC?

Generalmente no. I relè elettromeccanici hanno tempi di azionamento/rilascio di millisecondi e una durata meccanica/elettrica limitata, che li rende inadatti al PWM ad alta frequenza. Utilizza MOSFET, IGBT o relè a stato solido per il controllo della velocità PWM.

Q5: Come faccio a scegliere tra un relè elettromeccanico e un relè a stato solido (SSR)?

Scegli un relè elettromeccanico con elevato isolamento, elevata capacità di potenza, basso costo e logica semplice, soprattutto quando la velocità di commutazione non è fondamentale. Scegli un SSR per alta frequenza di commutazione, lunga durata e assenza di parti mobili, ma considera la corrente di dispersione, la dissipazione del calore e i costi.