楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント「自己保持回路」

メカニカルリレーを使った自己保持回路

メカニカルリレーの説明として、しばしば自己保持回路が取り上げられます。

しかし、その説明の多くは、シーケンス図(ラダー図)を用いたものが多く、気軽に電子工作を楽しみたい人にとっては、とっつくにくくてわかりにくいのですが、ここでは、それをわかりやすく実感できるように、回路図とブレッドボードを使って紹介します。


自己保持回路とは

電子工作などの少電力ではこれを使うことは少ないかもしれませんが、工作機械などでは、機械が動いているのを、一瞬に止めたい場合や、順番に何かを作動させていく場合などで、スイッチを入れてその動作に続けて次の動作を付加したいう時には、リレーやタイマーを使ってONの状態を維持できる回路が必要になります。

これが「自己保持回路」と呼ばれるものです。

WEBなどでは、下の図のようにシーケンス(ラダー)図というもので表示されますが、これは、専門に学ばないと理解しにくいものです。

WEBにあったシーケンス図を一部使用した図WEBの図を一部見やすくしたもの

この図は、比較的わかりやすく書かれたシーケンス図のようなのですが、これでも、見慣れない人にはどうして実際の回路を組めばいいのか、わかりにくいでしょう。

これは最も基本的なものですが、実際に機械などに組み込まれている複雑な動作をさせるには、プログラマブルコントローラ(シーケンサ)やマイコンを用いて行われることも多いようです。

ここでは、この基本の自己保持回路の作動の様子や原理を「回路図」と実際にブレッドボードで確認しながら見ていくことにします。

2回路リレーを使うのが簡単です

前のページで、スイッチとリレーについて簡単に紹介しましたが、スイッチやリレーを使うと、回路のON-OFFと分岐・分離などができます。

もしも、安全にそして迅速に大電流の機械を動作させるには、保持機能のある「トグルスイッチやスライドスイッチ」を使うこともできますが、ノブが飛び出していたり、とっさの場合に特殊な動作で機械をOFFにするのはあまり良い方法ではないので、通常は機械操作では、自己保持回路と押しボタンスイッチが使われているのが多いようです。

ここでは、A接点とB接点の押しボタンスイッチと、2回路2接点の「メカニカルリレー」を使うことで確実に電源のON-OFFを操作ができることを確認してみましょう。

それらの部品を組み合わせて行いたい動作は・・・

(1)起動スイッチを押すと「作動する」 
(2)スイッチから手を離しても「作動」の状態を維持している 
(3)停止スイッチを押すと、直ちに停止する

・・・という動作が機械運転時に必要ですが、それを実現するのが「自己保持回路」です。


回路図による自己保持回路

自己保持回路では、次のステップで動作します。

自己保持動作説明図

この図を見ると、「モーター回路」と「リレー回路」は完全に分離しています。(あえて片方は直流、動力側は交流としています)

このように回路が独立して、電圧や電源を意識しないでいいのが「リレー」の特徴といえます。

メカニカルリレーのコイルは電磁石を利用して、接点をON-OFFさせるので、リレー回路には「直流」の電源が必要です。

それに対して「負荷回路(この図ではモーターを回す)」のは、リレー回路とは独立しているので、直交流や電圧電流を問わずに、どんな回路であっても問題ありません。

しかしここでは取り上げませんが、前のページで説明したように、リレーやモーターにはコイルや接点があるので、電流の変動(負荷の変動や突入電流など)やノイズの問題はあリます。

ここでは、単独の回路ですし、影響を受けやすいものはないので対策はとっていませんが、いつもそれを意識するクセはつけておく必要があります。

末尾に簡単にまとめて紹介しています。

ブレッドボードに組むと、こんな感じです。

メカニカルリレーは941H2C-5D(5V用2回路c接点)のものを使っています。

ブレッドボードに組んでみた

まず、負荷(この場合はモーター)をつけずにテスターで接点の導通を見てみると、

(1)作動前は導通なし → (2)作動スイッチのボタンを押すと導通して、ボタンから他を離して作動スイッチが切れても、導通したまま・・・ → (3)停止スイッチを押すと、導通が無くなります。

以上のように、計画通りの動作ができています。

(1)作動前

作動状況 作動前

(2)作動スイッチ(A接点)をPUSH

作動状況 作動中

(3)停止スイッチ(B接点)をPUSH

作動状況 停止操作


負荷をつないでみます

負荷側に繋ぐのはモーターでも電灯でも何でもいいのですが、ここではまず、①リレーの電源を共用してLEDを点灯させてみること、つぎに、②別の電源でギヤボックスのついたモーターを回してみる・・・ということをやってみます。

①リレーの電源を共用してLEDを点灯

負荷はLED 

②モーターを回してみる

負荷はギヤボックスに入ったモーター

いずれも、同様の「自己保持」動作をしました。OKです。

【参考】スイッチやリレーのサージ対策

スイッチやリレーがON-OFFする時に、サージ(異常電流電圧やそれに伴う影響)や突入電流(一時的な高電圧の逆流)などが発生します。

スイッチやリレーには、これらの対策がされているものもありますが、通常は対策されていませんので、外付けして対策することになります。

この対策については、決まった方法や確実なものはないようですので、電子工作では、経験的には C+R(コンデンサと抵抗)によるか、ダイオードを利用する方法が一般的に紹介されています。

趣味の電子工作では、①スイッチ周り→回路と並列にC+R ②コイル→並列に電流に逆向きにダイオード ③IC回路→ パスコン(バイパスコンデンサ) という3つを頭に入れておくといいでしょう。

専門的ではありませんが、実用的には次のような対策をします。

1.スイッチ周りの対策

目に見える状態ではなくても、スイッチのON-OFF時にはチャタリングが発生して、高電圧や火花が発生します。

それらの影響を緩和するために、C+Rを用いてそれらを低減します。

スイッチに並列にする場合や、回路内にコイルがあれば、コイルに並列にするなどの方法があります。

並列にC+R

スイッチ周りの対策の場合、しばしば、C1のみにして、0.01~0.1μFのコンデンサ(耐圧200-300V程度以上)を用いることが多いようですが、後段にリレーコイルがある場合は、オムロンさんのHPでは、リレーのコイル部の定格電流(A)x0.5~1μF、R1は、リレーのコイル電圧(V)x0.5~1Ωという目安が示されています。

例えば、5V2Aのマイクロリレーでは、C2=2x(0.5~1)で1~2μFのコンデンサ、R2=5x(0.5~1)で、2.5~5Ωの抵抗を直列にして、スイッチに対し並列となるように設置すれば良いことになります。

AC回路の場合は、無極性のコンデンサを使います。

2.ダイオードを用いる場合

ダイオードD1の極性は流れる電流と反対にします。 D1の耐圧は回路電圧の10倍以上を目安にします。

私は、通常、1A200V程度の安価なファストリカバリーダイオードを使っています。 

もちろん、順電圧はリレーコイルの負荷電流以上にすることが望ましいですし、電源は直流でないといけません。

3.電源ラインに生じるノイズの除去

通常はこのように低容量と高容量のコンデンサを並列にしてアースするようにします。

低容量のC3は高周波成分の、高容量のC4は低周波成分の影響を低減するのですが、厳密に言えば、コンデンサの種類や容量は回路や除去したい周波数によるということもあるなど、専門的なことになると難しいのですが、経験的にはC3は0.01~0.1μF程度が用いられます。容量の小さい方が高周波除去に効果的なようです。

また、C4は10μ~100μF程度のものが用いられています。

私自体も専門j的なことはよくわかりませんので、おまじないのように、0.1μと10μを使っています。とくに問題になったことはありません。

以上です。

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