利用繼電器遲滯特性實現開關功能

作者 : Larry Stabile,EDN特約作者

機電繼電器為何表現出與固態Schmitt觸發器電路驚人相似的遲滯行為?為何能用於許多類似應用?

在本設計實例中,我們將研究機電繼電器為何表現出與固態施密特(Schmitt)觸發器電路驚人相似的遲滯行為,以及它們為何能用於許多類似的應用。本設計實例的靈感來自於Vladimir Oleynik所發表的「利用施密特觸發器實現開關功能」(Schmitt trigger provides toggle function)一文。Anthony Smith也有幾篇相關的設計實例。

1中所示的電路採用機電方法來實現開關功能,它用繼電器取代了Olenyik設計中的Schmitt觸發器IC。

Momentary-contact pushbutton toggle

圖1:暫態接觸按鈕開關。

與Schmitt觸發器一樣,繼電器是非線性元件並具有遲滯效應。此處所使用的繼電器是商用HK-19F DPDT DIP繼電器,工作電壓為12V。其典型吸合電壓為7.3V(10mA),典型釋放電壓為2.7V(3mA)。這是在十幾個繼電器批次中所測得的資料。此類型繼電器所具有的指定典型接通時間為5ms。

上電時,大約會有6mA的偏置電流通過R1流過K1的線圈。這並不足以產生吸合,因此繼電器保持關閉狀態。K1第1極(Pole 1)的常閉端給電阻R2的上端提供12V電壓。當按下按鈕時,C1因此在大約60ms內被充電到V+。當鬆開按鈕時,將會有一個峰值為12V的電流脈衝施加到K1的線圈上。這將使繼電器接通,然後由於遲滯和偏置電流,在電容器放電至偏置電壓後,其將保持接通狀態。接通時,Pole 1常開觸點閉合,從而將電阻R2上端接地。因此,當再次按下按鈕時,電容器將被完全放電,釋放時則會有效地將繼電器線圈分流到地而使其關斷。因為線圈電流現在低於吸合閾值,它將保持關閉。

該電路的一個優點是保持狀態不依賴於閉鎖,因此可使繼電器的一個極隔離而可以自由地開關負載。它以一種最小的自控制封裝提供了按開/按關電源功能。

這種基本的開關模組可以級聯使用而實現二進位計數器。2中的電路實現了一個四位元的計數器。輸入訊號為12V脈衝形式。若使用1所示的元件值,則該計數器可以處理高達30Hz的訊號。

Four-bit binary counter driven by a variable-frequency relaxation oscillator

圖2:一種四位元二進位計數器,它由變頻張弛振盪器驅動。

請注意,在2中,邏輯模組化是透過將繼電器線圈(虛線)的磁場顯示為訊號耦合之一部份。實體上,每個繼電器都是計數器的兩個連續位元之一部份。

該計數器使用繼電器振盪器進行測試驅動,如2所示。從數位邏輯的角度來看,這本質上是一個張弛振盪器,它使用單個緩衝器和反相器實現,並帶有RC控制的反饋迴路。使用帶有12V電源的6V繼電器,可以實現相對較寬的頻率控制範圍。由於具有反饋迴路,6V繼電器不會受到過電壓的影響。在1中所示的元件值覆蓋大約從1.2Hz到10Hz的條件下,其在測試中獲得了超過5:1的頻率範圍。

當然,有多種繼電器可以使用,而且這些電路也有很多變化。節拍器和時脈是其潛在的應用。一個有意思的挑戰是僅使用繼電器和被動元件來設計準確的頻率源。另一個挑戰是如何設計這些電路並使其能在電子管、電晶體和IC如同主動或被動開關元件般常見的時代之前被製作出來。

(參考原文:Relay hysteresis provides toggle function,by Larry Stabile)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年3月號雜誌

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