Cách xây dựng mạch điều khiển logic bằng rơle: Từ chuyển tín hiệu đến truyền động động cơ

Nguyên tắc cơ bản về rơ-le: Đi sâu vào các thành phần cốt lõi

Thành phần cốt lõi

Cuộn dây:

"Đầu vào" của rơle. Khi được cấp năng lượng, nó tạo ra một từ trường điều khiển cơ chế cơ học.

Các thông số chính là Điện áp cuộn dây (ví dụ: 5V, 12V, 24V DC) và Điện trở cuộn dây, xác định dòng điện yêu cầu.

Danh bạ

"Đầu ra" và bộ truyền động của rơle. Cấu hình có thể là:

• Single Pole Single Throw (SPST): Giống như một công tắc đơn giản, chỉ có trạng thái Bật/Tắt.
• Single Pole Double Throw (SPDT): Cốt lõi của mạch logic. Một thiết bị đầu cuối chung (COM) có thể chuyển đổi giữa các tiếp điểm Thường đóng (NC) và Thường mở (NO).
• Double Pole Double Throw (DPDT): Tương đương với hai rơle SPDT được kết nối với nhau, chìa khóa để chuyển đổi phức tạp như điều khiển hướng động cơ.

Các thông số điện chính

Rơle thực hiện các chức năng logic cơ bản

Sau đây là các mạch cổ điển sử dụng rơle SPDT để xây dựng các cổng logic cơ bản. Lưu ý rằng đây là những "mạch tương đương" thực hiện các chức năng logic, không phải mạch tích hợp kỹ thuật số hiện đại.

Cổng logic "KHÔNG"

Mục tiêu: Trạng thái đầu ra luôn ngược lại với trạng thái đầu vào.

Phân tích mạch:

Khi đầu vào ở mức THẤP, cuộn dây không được cấp điện, COM kết nối với Vcc thông qua tiếp điểm NC và đầu ra ở mức CAO.

Khi đầu vào ở mức CAO, cuộn dây được cấp điện, COM ngắt kết nối khỏi NC và kết nối với cực NO (nổi hoặc nối đất) và đầu ra ở mức THẤP.

Thực hành kỹ thuật:

Điốt Flyback là bắt buộc! Nó được kết nối song song ngược qua cuộn dây (cực âm đến V), để hấp thụ EMF phía sau do cuộn dây tạo ra khi mất điện, ngăn chặn các xung điện áp cao làm hỏng bóng bán dẫn truyền động hoặc chân I/O của vi điều khiển.

Cổng logic "HOẶC"

Mục tiêu : Đầu ra ở mức CAO nếu bất kỳ đầu vào nào ở mức CAO.

Phân tích mạch :

Các tiếp điểm thường mở (NO) của hai (hoặc nhiều) rơle được kết nối song song.

Nếu bất kỳ đầu vào nào ở mức CAO, tiếp điểm NO tương ứng sẽ đóng lại, kết nối Vcc với đầu ra.

Kịch bản ứng dụng :

Điều khiển khởi động nhiều vị trí, ví dụ: thiết bị khởi động nếu nhấn bất kỳ nút nào trong số nhiều nút "Bắt đầu".

Cổng logic "VÀ"

Mục tiêu : Đầu ra chỉ ở mức CAO nếu tất cả các đầu vào đồng thời ở mức CAO.

Phân tích mạch :

Các tiếp điểm thường mở (NO) của hai (hoặc nhiều) rơle được mắc nối tiếp.

Chỉ khi tất cả các đầu vào ở mức CAO thì tất cả các tiếp điểm NO mới đóng đồng thời, tạo thành một đường dẫn hoàn chỉnh từ Vcc đến đầu ra.

Kịch bản ứng dụng :

Kiểm soát khóa liên động an toàn, ví dụ: phải đáp ứng cả hai điều kiện "Cửa bảo vệ đã đóng" VÀ "Đã nhấn nút khởi động" để máy khởi động.

Ứng dụng kỹ thuật cổ điển: Hệ thống điều khiển hướng động cơ DC

Đây là một trong những ứng dụng tiêu biểu nhất của chuyển mạch logic rơle, cụ thể là xây dựng mạch điều khiển cầu H.

Tùy chọn 1: Giải pháp rơ-le đơn nhỏ gọn

Nguyên tắc làm việc :

Trạng thái nghỉ/mặc định: Cuộn dây mất điện, các cực động cơ A, B-, động cơ quay theo một hướng (ví dụ: thuận).

Trạng thái kích hoạt: Cuộn dây được cấp điện, cả hai bộ tiếp điểm chuyển đổi đồng thời, các cực của động cơ trở thành A-, B, cực của động cơ đảo ngược, quay theo hướng ngược lại.

Ưu điểm :

Mạch đơn giản, ít linh kiện, giá thành thấp.

Được liên kết cơ học nên tránh được nguy cơ đoản mạch nguồn điện một cách tự nhiên.

Nhược điểm :

Chỉ có thể đạt được hai tốc độ (tốc độ tiến/lùi tối đa), không thể cung cấp khả năng kiểm soát tốc độ.

Phương án 2: Giải pháp Rơ-le kép linh hoạt

Nguyên tắc làm việc :

Chuyển tiếp: Chỉ có "Rơle chuyển tiếp" mới được cấp năng lượng.

Đường dẫn hiện tại : Nguồn → Tiếp điểm Rơle1 → M → M- → Đầu cuối NC của Rơle2 → Nguồn -.

Đảo ngược: Chỉ có "Rơle đảo ngược" mới được cấp điện.

Đường dẫn hiện tại : Nguồn → Tiếp điểm Rơle2 → M- → M → Đầu cuối NC của Rơle1 → Nguồn -.

Dừng: Cả hai rơle đều bị mất điện.

Ưu điểm :

Tính linh hoạt cao : Dễ dàng thêm trạng thái "Dừng".

Khóa liên động dễ thực hiện: Đảm bảo logic điều khiển rằng cả hai rơle không thể cấp điện đồng thời, ngăn ngừa đoản mạch nguồn điện.

Nhược điểm :

Yêu cầu logic khóa liên động bổ sung (có thể là các công tắc tơ được khóa liên động cơ học hoặc khóa liên động logic điện trong mạch).

Tích hợp hệ thống và cân nhắc thực tế

Sơ đồ này cho thấy cách đầu vào của người dùng (công tắc Fwd/Rev) được tích hợp vào logic điều khiển. Các vị trí công tắc khác nhau cung cấp các đường dẫn dòng điện khác nhau cho cuộn dây rơle, xác định trạng thái động cơ.

Sơ đồ này nhấn mạnh tính toàn vẹn của hệ thống :

Phần điện: BAT1/BAT2 (Nguồn điện), MOT_1 (Tải), RLY1 (Bộ truyền động).

Phần điều khiển : "Mạch điều khiển phân cực" (Mạch điều khiển rơle). Bộ phận này có thể được chế tạo bằng cách sử dụng bóng bán dẫn, bộ vi điều khiển, chip logic, v.v. và đóng vai trò như bộ não điều khiển thông minh.

Thiết kế tiên tiến và Kỹ thuật đáng tin cậy

Để biến một sơ đồ mạch thành một sản phẩm ổn định và đáng tin cậy, các chi tiết kỹ thuật sau đây phải được xem xét:

Thiết kế mạch truyền động cuộn dây

Các chân I/O của vi điều khiển có khả năng điều khiển hạn chế; một bóng bán dẫn hoặc MOSFET phải được sử dụng làm công tắc để điều khiển cuộn dây rơle.

Tính toán điện trở cơ sở cần thiết để đảm bảo bóng bán dẫn bão hòa và cung cấp đủ dòng điện trong cuộn dây.

Mạch bảo vệ liên lạc

Khi phá vỡ các tải cảm ứng như động cơ, hiện tượng phóng điện cực mạnh xảy ra giữa các tiếp điểm, làm xói mòn chúng và rút ngắn tuổi thọ của chúng.

Mạch Snubber RC: Nối một điện trở và tụ điện nối tiếp, sau đó mắc song song qua các tiếp điểm. Điều này có hiệu quả hấp thụ năng lượng và ngăn chặn hồ quang.

Metal Oxide Varistor (MOV): Kết nối qua các điểm tiếp xúc để hấp thụ các xung điện áp.

Khóa liên động phần cứng

Trong giải pháp rơ-le kép, điều cực kỳ quan trọng là phải đảm bảo rằng rơ-le Tiến và Ngược không bao giờ cấp điện đồng thời, vì điều này sẽ gây ra hiện tượng đoản mạch trực tiếp qua các đầu nối nguồn điện với hậu quả tai hại.

Phương pháp 1: Sử dụng các công tắc tơ được khóa liên động cơ học, trong đó một công tắc tơ được gài vào sẽ ngăn cản công tắc tơ kia ăn khớp.

Phương pháp 2: Thiết kế khóa liên động điện ở cấp độ mạch truyền động, ví dụ bằng cách nối tiếp điểm NC của một rơle nối tiếp với cuộn dây của rơle kia.

Chỉ định và chẩn đoán trạng thái

Song song một đèn LED chỉ báo trên cuộn dây rơle để hiển thị trực quan trạng thái hiện tại.

Bao gồm cầu chì hoặc cầu chì có thể đặt lại PTC trong vòng điều khiển để bảo vệ quá dòng.

Khám phá các sản phẩm chuyển tiếp của chúng tôi

FANHAR Electronics mang lại hiệu suất cao rơle điện được thiết kế cho các ngôi nhà thông minh, điều khiển công nghiệp, hệ thống năng lượng mới và các ứng dụng đòi hỏi khắt khe khác ngày nay. Với 30 dòng sản phẩm và hàng trăm thông số kỹ thuật, danh mục đầu tư của chúng tôi mang đến sự kết hợp tối ưu giữa khả năng chuyển mạch, hiệu suất năng lượng và độ tin cậy.

Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi 1: Tại sao bắt buộc phải có diode flyback trên cuộn dây rơle?

Khi cuộn dây không được cấp điện, điện cảm của nó sẽ tạo ra điện áp ngược tăng đột biến (EMF ngược). Diode flyback cung cấp một đường tuần hoàn an toàn cho dòng điện trong cuộn dây, kẹp xung và bảo vệ bóng bán dẫn, chân MCU hoặc mạch điều khiển khác.

Câu 2: Sự khác biệt giữa NO, NC và COM là gì?

COM là thiết bị đầu cuối chung. NC (Thường đóng) được kết nối với COM khi cuộn dây bị ngắt điện. NO (Thường mở) bị ngắt khỏi COM khi cuộn dây bị ngắt điện và kết nối với COM khi cuộn dây được cấp điện. Rơle SPDT chuyển COM giữa NC và NO.

Câu hỏi 3: Làm cách nào để xây dựng logic OR và AND với rơle?

kết nối song song các tiếp điểm NO của hai hoặc nhiều rơle. Nếu bất kỳ rơle nào được cấp điện, đầu ra sẽ được kết nối với Vcc. AND: nối tiếp các tiếp điểm NO. Chỉ khi tất cả các rơle cấp điện thì đường dẫn từ Vcc đến đầu ra mới đóng lại.

Câu hỏi 4: Rơle có thể được sử dụng để điều khiển tốc độ xung điện của động cơ DC không?

Nói chung là không. Rơle điện cơ có thời gian hoạt động/nhả một phần nghìn giây và tuổi thọ cơ/điện hạn chế, khiến chúng không phù hợp với xung tần số cao. Sử dụng MOSFET, IGBT hoặc rơle trạng thái rắn để điều khiển tốc độPWM.

Câu hỏi 5: Làm cách nào để chọn giữa rơle điện cơ và rơle trạng thái rắn (SSR)?

Chọn rơle điện cơ có khả năng cách ly cao, công suất cao, chi phí thấp và logic đơn giản, đặc biệt khi tốc độ chuyển mạch không quá quan trọng. Chọn SSR để có tần số chuyển mạch cao, tuổi thọ cao và không có bộ phận chuyển động, nhưng hãy cân nhắc dòng điện rò rỉ, khả năng tản nhiệt và chi phí.