一例硬件电路的设计命题采用多种方案设计与解析
从网上看到这样的一求助帖“一个开关顺势开启三个电机” 即要求:一个按钮按一下启动一个电机。再按一下启动第二个电机。再按一下开启第三电机。再按一下全停。请付电路图
这个求助帖我用2种硬件设计了3个电路控制图,1、用继电器设计的控制电路图;2、用集成电路设计的2个控制电路图。下面将分别对这3个电路进行分析与讲解,望能对电路初学者有所帮助。
1、用继电器设计的控制电路图及电路原理解析:
图一、继电器控制电路图
对不熟悉弱电电路只熟悉低压电气控制的人,可用继电器、接触器来设计这个电路,见上图一。该电路是用4个小型继电器与3个接触器构成。
电路工作原理:用继电器设计控制电路首先要考虑与解决触点动作的竞争问题,如处理不好会使电路动作达不到预想目的而失败。本设计多用了4个中间继电器,即Ja、Jb、Jc、J4 ,它们是同型号小型中间继电器,Z1、Z2、Z3 为分别控制3个电机启动用的交流接触器。
按下按钮K,Ja得电吸合,Ja的常开触点闭合后,使Jb得电吸合,Jb常开触点闭合后使Jc的电吸合,从动作时间上看,Ja先动作,Jb次之,Jc最后动作。下面为它们动作时序图。
电路动作分析:第一次按下按钮K,Ja得电吸合,其常开触点闭合,使Jb得电吸合,Jb常开触点闭合,使Jc与Z1同时得电,Jc长闭触点先断开,而Z1的常开点后闭合,故Z1吸合且自锁。而使Z2不能得电吸合。第二次按下按钮K,Ja先得电吸合,其常开触点闭合,由于此时Jc未得电其常闭触点仍闭合,故使Jb与Z2是同时得电吸合,由于Jb的常开触点间距稍短于Z2常开触点的间距,使Z2的常开触点闭合滞后于Jb的常开触点闭合,但Jb的常开触点闭合使Jc得电, 故Jc的常闭触点断开的时间将稍迟后Z2的常开触点的闭合,这样只能使Z2通导自锁,而不能使Z3得电导通。第三次按下按钮K同第二次相似,Ja先得电吸合,其常开触点闭合,由于此时Jc未得电其常闭触点仍闭合,故Jb与Z3同时得电动作,Z3的常开触点闭合使Z3自锁,,Jb的常开触点闭合使Jc得电动作, Jc的常闭触点断开稍迟与Z3的常开触点的闭合,只能使Z3通导自锁,而不能使J4得电导通。第四次按下按钮K,Ja先得电吸合,其常开触点闭合,由于此时Jc未得电其常闭触点仍闭合,故Jb与J4才同时得电吸合J4的常开触点闭合自锁,而J4、Jc常闭触点断开使Z1、Z2、Z3失电断开,按钮K抬起其常开触点断开,使 J4失电断开。电路又回到起始状态。
2、用集成电路构成的控制电路:
懂得弱电的人,用集成电路与继电器设计这个电路就显得比较灵活,可组成不同的电路形式都可实现这个控制电路的功能,现举2例都是选用同样型号的集成块构成不同的控制电路,供大家参考:
(1)、用D触发器的工作特性组成的控制电路:
图二、用集成块构成的控制电路图一
该电路使用2片4013 (双D触发器)、1片4011(4与非门)、3只晶体管、3只小型继电器及电阻电容组成。
电路原理说明:通电瞬间,C1电压=0,使与非门U3A输出为高电位,使U1、U2的R端置1而复位(即使4个D触发器Q端输出为0),使3个继电器处于断电状态,随着充电,C1的电压上升为12V(即逻辑为1),而U2B的Q\=1,故使U3A的输出=0,即4个D触发器R端=0(复位使能失效)。
当第一次按下按钮K且抬起时,将产生由0—>1的正突跳,同时触发4个D触发器的CLK端,由于此时只有U1A的数据端D=1,其它3个数据端D=0,故触发后,U1A的Q=1,其它3个输出端Q=0,U1A的Q=1使晶体管G1导通,继电器J1得电吸合,使电机1的接触器吸合,电机1启动。此时U1A的Q=1使U1B的D端=1。当第二次按下K且抬起时,此时U1A与U1B的数据端D=1,而U2A与U2B的数据端D=0,触发结果,U1A与U1B的输出端Q=1,而U2A与U2B的输出端Q=0,故电机1仍运转,电机2启动运转。U1B的Q=1使U2A的D端=1。当第三次按下K且抬起时,此时U1A、U1B、U2A的数据端D=1,而U2B的数据端D=0,触发结果,U1A、U1B、U2A的输出端Q=1,而U2B的输出端Q=0,电机1、2仍运转,电机3启动运转。U2A的Q=1使U2B的D端=1。当第四次按下K且抬起时,此时U1A、U1B、U2A、U2B的数据端D皆=1,触发结果使U2B的输出端Q=1、Q\=0。U2B的输出端Q\=0使与非门U3A输出=1(高电位)触发4个D触发器的复位端R,使其U1、U2皆复位,3个电机断电停,U2B的输出端Q\=1,使U3A输出=0,电路又恢复起始状态。
(2)、用D触发器组成计数器形式构成的控制电路:
图三、用集成块构成的控制电路图二
用D触发器的Q\与D相连组成双稳态电路(又称计数器电路),即CLK每产生一正突跳,将使D触发器的输出翻转一次,二级计数器相连,构成4进制计数器。图中的C3、R5与U2D构成开机复位电路,确保开机后电路的起始状态为00(即U1A、U1B的Q=0)。如依次点击按按钮4次,其U1A、U1B的输出状态为:01、10、11、00,输出状态为01,只有U2A输出=1,即使J1继电器得电吸合。输出状态为10,只有U2B输出=1,即使J2继电器得电吸合。输出状态为11,只有U2C输出=1,即使J3继电器得电吸合。输出状态为00, U2A、U2B、U2C输出皆=0,即3个继电器失电断开。再按按钮K,输出状态又为01、10、11、00……即重复上述动作。
图中的J1、J2继电器线圈并接一RC串联回路,使其变为断电延时继电器,其作用为确保J1、J2、J3继电器换路时,不会产生因触点的竞争而使接触器产生抖动的现象:见图三右侧图,接触器Z1受J1、J2、J3三个继电器的常开触点控制,当第一次按下按钮K,其输出状态由00变为01,J1得电吸合。Z1得电吸合使电机1启动运行,当第二次按下按钮K时,输出由01变为10,如J1不是断电延时继电器,其J1失电其触点断开在先,而J2得电常开触点吸合在后,就会使Z1产生抖动,加上R6、C1,当G1管截止时,C1的电压将加在J1线圈上使其继续导通吸合,C1将通过R6、J1的线圈电阻放电,当线圈电流低于释放电流时J1才断开,当J1触点断开时,J2的触点早已闭合,故Z1不会产生抖动。第二次按下按钮使电机1、电机2运行,当第三次按下按钮K时,输出由10变为11,J3得电吸合,J2失电,由于J2也是断电延时,故Z2不会抖动,Z3得电吸合,3个电机皆运行。3个电机皆运行时只有J3的触点闭合,同时控制3个接触器。当第四次按下按钮,输出状态由11变为0,J3立即失电断开,使3个接触器同时失电断开,3个电机皆停。
上述3个电路比较,图三最为简练,只用4013、4011二个集成块。
这3个电路都是用继电器的常开触点控制交流接触器的导通,进而控制3个电机的启动与停止。也可不用继电器,用电子器件也可驱动交流接触器的导通,如用无触点交流开关驱动交流接触器的导通。但需增设触发无触点交流开关的连接电路。下面给出一种自制的最简控制交流接触器的电路,见图四:
图四、直接启动接触器的控制电路图
图四是在图二基础上,去掉3个继电器,增加3个整流桥。用整流桥与交流接触器串联接~220V交流电源上,而晶体管作为开关并接在整流桥的直流输出二端,构成交流可控开关电路:当晶体管处于截止时,回路无电流使接触器失电断开,当晶体管处于饱和导通时,其管压降≈0,使接触器承受220V交流电压而得电吸合。使用这种电路应注意:其整流桥及晶体管要求反相耐压高的,要在300V以上为好。
就写到这儿,如有不妥之处,请给于指正,本人深表感谢。