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。

ただ、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、ここでは、それをわかりやすく実感できるように、簡単な回路をブレッドボードを使って紹介します。

自己保持回路とは

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い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の状態などのそれまでの状態を維持しておく回路が必要になります。

この動作をさせるための回路が「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、専門的にこの図の見方を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らしいのですが、見慣れていない人には、この図から、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「始動ボタンを押すと、リレーが働いてモーターが回り、始動ボタンを離しても回り続け、停止ボタンを押した時点でモーターが止まる・・・」という、機械などの始動停止には、最も基本的な回路です。

実際に機械などに組み込無場合は、いろいろな複雑な動作を数多く行う必要があるために、最近は、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、この基本的な自己保持回路の作動の様子や原理を、実際にブレッドボードに組んで確認しましょう。

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、電源のON-OFFと回路のON-OFFを分岐・分離することができるのが便利なところです。

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、とっさの場合に緊急に機械を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」が使われています。

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

・・・という動作で、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。スイッチ側の回路と、動作側のモーター回路はリレーを用いることで分離されています。

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」は完全に分離してる状態をイメージしやすいように、あえて、片方は直流で、動力側は交流を使っていますが、電子工作では、電圧の違う回路を制御すると考えるといいでしょう。

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。

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ので、実際の回路では対策しないといけないのですが、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。

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)を使っています。

2回路2接点メカニカルリレーの例

負荷側のモーターを付けずに、導通状態をみました。

ブレッドボードに組んでみた

(1)作動前は・・・OFF状態

作動状況 作動前

(2)作動スイッチ(A接点)をPUSHすると・・・導通しました

作動状況 作動中

そして、スイッチを離しても、ONの状態になっています。「自己保持」されている状態です。

(3)停止スイッチ(B接点)をPUSHすると・・・OFF状態になりました

作動状況 停止操作

これで、動作が確認できました。


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います。

計画通りに動作しています。

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ありませんが、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つの方法を頭に入れておくといいでしょう。

これらは専門的ではありませんが、実用的には次のような対策をする・・・と考えておけばいいでしょう。

1.スイッチ周りの対策

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

チャタリングは、短時間に意識しないでもON-OFFが繰り返す状態が起こることです。

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を追加

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。

電源のサージ対策例

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

ダイオードによるリレーのサージ対策例D1を電流の逆方向に

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

電源ラインのノイズ除去例

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。

私自体も専門的なことはよくわかりませんので、おまじないのように、ともかく 0.1μと10μを使っていますが、とくに問題が生じたこともなさそうです。

確実な方法かどうかわわかりませんが、以上は一般的に用いられている方法です。 適宜に利用いただくといいでしょう。

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(来歴)R2.3記事作成   R2.4見直し  R2.8様式2カラムに  最終R3.7に見直し

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最小限必要なことのおさらい(1-2)

電子工作に使う電源のいろいろ(1-3)

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