電子工作のすすめ その4:自己保持回路

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この文章は次の項目について書いています。これが4ページ目(最後)です。

その1 : 最初から検討までの段階(最初のページ
その2 : 工具・パーツの調達~準備(2ページ目
その3 : LEDを点灯させる(3ページ目
その4 : 自己保持回路を作ってみる(このページ)

電子工作実習の最終回で、「ユニバーサル基盤上に自己保持回路を組む」という内容です。上の1から4までを6時間程度で若い方が自分で回路を作ってもらおうという目的で実習をしました。

機械に組み込まれる基本的な回路について興味を持ってもらう目的で、スイッチとリレーを使って簡単にやれて、役に立ちそうな身近な内容として「自己保持回路」を取り上げました。

自己保持回路とは

機械などを起動するとき、「入」スイッチを押すと機械が動き、スイッチをはなしてもその状態が維持されます。そして、「切」スイッチを押すと、機械が停止します。

何気ないことですが、言い換えれば、「入」スイッチを離しても、機械が動いたままで、「切」スイッチを押さないと機械が止まらないということを「自己保持」と言い、この動作は大切なものの一つです。

この機械の動作は、誤動作を防ぎ、緊急停止操作が簡単にできるなどと、この「自己保持回路」は安全に機械運転をするための基本です。

これを理解するには、「スイッチ」と「電磁リレー(有接点)」について知り、さらに、回路図をみてその動作を理解することが必要になります。

これらを順番に見ていきながら、下のような回路を作ってみようというのが今回のテーマです。説明した内容を以下に示します。

そのためにまず、スイッチとその動作、リレーの動作ということも簡単に説明します。

最終目的の工作イメージ

スイッチについて

まずスイッチについて、説明します。

スイッチの動作は、3つの働きを持つスイッチ(A接点、B接点、C接点)があります。OMRONさんのHPの画像を使わせてもらって、簡単に説明します。

1.A接点の押しボタンスイッチ

メーク接点 NO接点ともいわれます。

 押すとONになるスイッチ

A接点スイッチの動作  A接点スイッチの例

一般的なスイッチで、押すと接点が閉じて回路に電気が流れるなどのために用います。

2. B接点の押しボタンスイッチ

ブレーク接点 NC接点ともいわれます。

 押すとOFFになるスイッチ 非常停止ボタンなど

B接点スイッチ回路の例 B接点スイッチの例

これはA接点スイッチの逆で、通常の状態では接点が閉じて電気が流れる状態です。

スイッチを押すと、接点が離れて電気を遮断します。押すのをやめたり、押したものを引き出すなどの操作でONになって、電気が流れる状態になります。

3. C接点の押しボタンスイッチ

切り替え接点ともよばれて、どちらかがON、どちらかがOFFになるような使い方もできます。

 これは、A接点とB接点を併せ持ったスイッチです。

C接点スイッチの動作

押したときにはA接点側がONになると同時にB接点側はOFFになるようになっています。端子が3つありますので、単独のA接点・B接点のスイッチとして使うことも、回路の切り替えなどに使うことも出来ます。

以上は単回路(1回路)ようですが、2回路用や多回路用もあります。

次にリレーです。

リレー(電磁継電器)について

リレーの電源OFF時 リレーの電源ON時

リレーは、電磁石を利用して、スイッチをオン・オフさせるものです。

先に説明したスイッチと同じように、A接点としてスイッチが入るとつながるものや、B・C接点の他、独立した他回路に利用できる接点を持ったもの(2回路用・多回路用)など、いろいろなものがあります。

上図は機械式のA接点のリレーの図です。このように、リレー接点を動かす回路(鉄心に電気を流して接手をつなぐ回路)と、制御したい通電回路(図のピンクの矢印のように電流を流す回路)は通常は独立した別回路になっています。(この点が重要です)

リレーを動かすために直流電源の絵が書いてありますが、これが交流であればスイッチの接点が振動(細かくON-OFF)して具合が悪いことになるので、直流でないといけません

よく勘違いするのですが、リレー回路と負荷回路は別のものですが、それを理解していない(わからない)人がいますので、そのあたりも説明しておくといいでしょう。

リレー回路は、小さな電流でスイッチを操作する回路で、負荷回路は、(通常は、大きな電流などで)モーターなどを動かすものです。

図の右のように、リレーのコイルに通電させると、電磁石に力で接点が引き寄せられて、回路が閉じて電気が流れる状態(機械が動く状態)になります。

リレーのコイルの通電を止めると、ばねの力で接点が離れて回路が開かれて電気の流れが止まる・・・そうすると、左の図のような状態で、回路の電源が遮断されたままです。

自己保持回路でのスイッチとリレーの様子

ここで『自己保持回路』について見てみます。

下図のように、一度リレーのスイッチが入ると、停止スイッチを押して回路全体の通電を遮断するまで、つないだ状態を保持する回路が「自己保持回路」です。

自己保持回路の説明

この図は、

1)電源スイッチ(A接点)をONにすると回路に電気が流れると同時に、リレーに電気が流れることでコイルに通電して、リレーのA接点が閉じる。→機械が動きます

2)電源スイッチ(A接点)を押すのをやめると、電源スイッチのA接点が開くが、リレーのコイルには電気が流れているので、リレーのA接点は閉じたままなので、回路への電気は流れ続ける状態が保持されます。→機械は動いたままです。

  リレーがあることで、スイッチを入れたままの状態に保持してくれます。

3)次に 停止スイッチ(B接点)を押すと、スイッチが解放されるので回路の電気は遮断されてリレーへの給電も止まるので、リレーのA接点が離れて、元の状態に復帰します。→機械は止まります

ということになります。(これは「自己保持回路」の一つの回路の例です)

ここでは、LEDやモーターなどの「負荷」は書いていませんが、当然、それをON-OFFするためのものであるのは言うまでもありません。(負荷の電源とリレーの電源も別です)

今回の工作では、機械などを作動させる代わりに、LEDを点灯させることで代用しています。

実際に回路を組んでみます

ここでは、このような部品や道具を使いました。もちろん、最低限、

1)リレーとリレーを働かせるための電源
2)ON用のA接点スイッチとOFF用のB接点用スイッチ
3)LEDなどの負荷回路(ここではLEDと固定抵抗または定電流ダイオードなど)

があれば、この回路を組むことが出来ますね。

うまく組み上がれば、

①電源スイッチ(A接点)を押すとリレーが「カチッ」と入る音がして、赤いLED(これを回路としました)が光ります。

②その後に電源スイッチから手を放しても赤いLEDは消えません動き続ける状態が維持します。

③そして、停止スイッチ(OFF用:C接点の片側をB接点として使いました)を押すと、赤いLEDは消えます。

これで簡単な自己保持回路ができたことになります。

ブレッドボードで自己保持回路 ユニバーサル基板に組んだ自己保持回路

ブレッドボードで回路が正しく働いているかどうかを見て、そして、小さなユニバーサル基盤に組んでみました。

右の写真のように、電圧がかかっている状態で、緑色のLEDが光るように追加しました。ここでは、固定抵抗を定電流ダイオードに変えて使っています。

最後に

今回、電子工作などを初めて経験する若い人たちに、はんだ付け、テスターを用いた電流電圧測定、LEDを点灯させるためのオームの法則を利用した計算、リレー回路などを知ってもらって、機械に組み込まれている自己保持回路を組んでみて知ってもらうというのが課題でした。

中学高校時代に基礎は学んだと思うのですが、いざやってみると、少し難しかったようです。

回路図だけで、どのように接続するのかわからない人がほとんどで、ポンチ絵を書いたのですが、それでも、ほとんどの人は配線が交錯して、なにがなんだかわからなくなっていました。

***

以上が全6時間の実習内容です。これが電子工作であると言えませんが、これだけでも、はじめての方のはハードルが高く、企業研修で若い方などに指導したり、個人の方で電子工作を始めてみようと考えておられる方もそうですが、適当な教材探しがけっこう大変です。

「電子工作の基礎」の書籍を読んでも、基礎から読むだけでは、前書きが長すぎて、いつ工作にかかるかわかりませんし、応用編となると、基礎の説明もわからないまま、すぐにオペアンプやマイコンの話になってしまうなど、何かを考えて作っていく教材にめぐり逢うのが大変難しいと思いました。

今回取り組んだ方法や市販の「キットで遊ぼう電子回路」などを利用したり、そこに書かれた内容をもとにして、何らかの工作に取り組んでいただければと思います。

WEBでもいろいろなものも販売されています。参考に上げておきます。いろいろありますので、検討するといいものが見つかるかもしれませんし、今回のように、部品を購入して組み立てると安価ですので、個人の方でも、ぜひこのような基礎的なことを、何でもいいので自分の手でやってみてください。

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長文をお読みいただき、ありがとうございました。


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