Управляемый импульсами программный переключатель без активных электронных компонентов

Знаю, знаю – обсуждение программного переключателя на основе реле в эпоху вездесущих микропроцессоров кажется пустой тратой времени. Ведь реле используются уже много лет. Можно ли создать что-то новое из этих давно известных устройств? Я попытался много лет назад, и думаю, что мне это удалось.

Признаю, что этот проект опоздал лет на 70, но думаю, что четкость его структуры и работы заслуживают определенного внимания. Первое, что выделяет его – это тот факт, что, несмотря на выполнение функции логической схемы, в нем не используются активные электронные элементы. Кроме того, несмотря на простую структуру, он обладает функциями гораздо более сложных цифровых систем.

Программный переключатель, построенный на двухобмоточных бистабильных реле, фактически является частью схемы, описанной в статье [1]. В ней автор Томми Тайлер представил схему триггера на основе реле, концепция которой очень похожа на мою идею, представленную в Польское патентное ведомство более 20 лет назад (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Эта управляемая импульсами схема на основе двухобмоточного бистабильного реле выполняет функцию включения/выключения, запоминает свое состояние при выключении питания и постоянно защищена от помех. Номиналы компонентов некритичны.

Эта конструкция создавалась в связи с потребностью в эффективном коммутаторе, который переключался бы импульсом тока и запоминал свое состояние при исчезновении питания, всегда оставаясь устойчивым к сбоям. Основная идея заключалась в том, чтобы использовать тот факт, что обмотки бистабильного реле в состоянии покоя не нуждаются в источнике питания, позволяя накапливать электрический заряд, который может переключать реле.

Поскольку накопленный заряд должен иметь соответствующую полярность и попеременно питать обмотки реле, в качестве переключателя я использовал одну группу контактов реле. Это позволяет току однонаправленно течь через возбужденную обмотку и блокировать пассивную обмотку во время импульса переключения. Конфигурация схемы такова, что благодаря возможности переключать контакты реле в положение, противоположное занимаемому в данный момент, создать электромагнитное поле способна только одна обмотка, несмотря на то, что на обе обмотки подается один и тот же управляющий импульс.

Когда подвижные контакты будут переведены в другое устойчивое положение с помощью заряда, протекающего через выбранную обмотку, низкий потенциал общей точки соединения катушек не позволит накапливаться заряду, необходимому для питания другой обмотки, до тех пор, пока вход не будет разомкнут. Даже кратковременное отпускание кнопки позволит накопить заряд, достаточный для переключения в тот момент, когда управляющий импульс появится снова.

Подобный способ переключения обмоток дает возможность создать бистабильный триггер на основе двух защелок, такой как программный переключатель на Рисунке 2. Схема триггера, построенная в соответствии с описанной выше идеей (Рисунок 1), в режиме ожидания потребляет ток в несколько миллиампер, что при определенных обстоятельствах может рассматриваться как недостаток.

Рисунок 2.

Эта управляемая импульсами простая схема на основе двухобмоточных бистабильных реле выполняет функцию программного переключателя. Уникальная особенность переключателя заключается в том, что в нем нет активных электронных компонентов, при сбое питания он запоминает состояние, постоянно защищен от помех и потребляет энергию только во время переключения из одного состояния в другое. Номиналы компонентов некритичны.

Способ питания цепи хранения заряда, который предложил в своем проекте г-н Тайлер, более экономичен благодаря тому, что в режиме ожидания защелка практически не потребляет ток (если не учитывать утечку конденсаторов). Основной принцип работы остался прежним; таким образом, все преимущества, описанные ранее, а также и упомянутые в этой статье ограничения, могут быть полностью отнесены к схеме программного переключателя, представленной в данной статье.

Ее уникальными особенностями является постоянная устойчивость к помехам и сбоям питания, способность запоминать состояние при отключении питания и нулевое потребление энергии, за исключением коротких отрезков времени зарядки конденсатора и переключения. Представленный здесь переключатель после каждого нажатия нефиксируемой кнопки S1 выполняет следующую последовательность действий: [Активировать M1] > [Деактивировать M1] > [Активировать M2] > [Деактивировать M2] > [Активировать M1] и т. д. Следовательно, его можно использовать для управления устройствами с аналогичными циклами работы, например, приводами ворот или жалюзи.

В схеме на Рисунке 2 две группы контактов этих реле (выводы 11, 12 и 14) используются для управления триггерами. Оставшиеся группы K1 и K2 (выводы 21, 22 и 24) используются для включения и выключения напряжения, питающего электрическую нагрузку. Соединенные друг с другом средние выводы A3 обмоток обоих реле (K1 и K2) образуют общий вход управления переключателем; он активируется путем временного замыкания на землю кнопкой S1.

Поскольку циклы переключения обеих защелок синхронизированы друг с другом, а количество циклов различно, свободные контакты реле задают последовательность подключений. Это позволяет управлять нагрузками M1 и M2 так, как описано выше.

Система не предъявляет строгих требований к номиналам компонентов. Можно использовать двухобмоточные бистабильные реле с различными рабочими напряжениями. Необходимо только выбрать подходящие значения емкости конденсаторов, чтобы запасенной в них энергии хватало для переключения реле. Это легко сделать, проверив, способен ли выбранный конденсатор, заряженный до номинального напряжения реле, переключить его после подключения к катушке.

Сопротивления резисторов тоже некритичны. Увеличение сопротивления приведет к ограничению частоты переключения, уменьшение – к более частой и динамичной реакции. Однако, уменьшая сопротивление, следует помнить, что в тот момент, когда управляющий переключатель S1 замыкает на землю заблокированную обмотку, напряжение должно быть ниже напряжения срабатывания реле.

Ссылки

Материалы по теме