一例硬件电路的设计命题采用多种方案设计与解析

 一例硬件电路的设计命题采用多种方案设计与解析
     从网上看到这样的一求助帖“一个开关顺势开启三个电机” 即要求：一个按钮按一下启动一个电机。再按一下启动第二个电机。再按一下开启第三电机。再按一下全停。请付电路图
这个求助帖我用2种硬件设计了3个电路控制图，1、用继电器设计的控制电路图；2、用集成电路设计的2个控制电路图。下面将分别对这3个电路进行分析与讲解，望能对电路初学者有所帮助。
1、用继电器设计的控制电路图及电路原理解析：
           图一、继电器控制电路图
   对不熟悉弱电电路只熟悉低压电气控制的人，可用继电器、接触器来设计这个电路，见上图一。该电路是用4个小型继电器与3个接触器构成。
电路工作原理：用继电器设计控制电路首先要考虑与解决触点动作的竞争问题，如处理不好会使电路动作达不到预想目的而失败。本设计多用了4个中间继电器，即Ja、Jb、Jc、J4 ，它们是同型号小型中间继电器，Z1、Z2、Z3 为分别控制3个电机启动用的交流接触器。
按下按钮K，Ja得电吸合，Ja的常开触点闭合后，使Jb得电吸合，Jb常开触点闭合后使Jc的电吸合，从动作时间上看，Ja先动作，Jb次之，Jc最后动作。下面为它们动作时序图。
 
     电路动作分析：第一次按下按钮K，Ja得电吸合，其常开触点闭合，使Jb得电吸合，Jb常开触点闭合，使Jc与Z1同时得电，Jc长闭触点先断开，而Z1的常开点后闭合，故Z1吸合且自锁。而使Z2不能得电吸合。第二次按下按钮K，Ja先得电吸合，其常开触点闭合，由于此时Jc未得电其常闭触点仍闭合，故使Jb与Z2是同时得电吸合，由于Jb的常开触点间距稍短于Z2常开触点的间距，使Z2的常开触点闭合滞后于Jb的常开触点闭合，但Jb的常开触点闭合使Jc得电， 故Jc的常闭触点断开的时间将稍迟后Z2的常开触点的闭合，这样只能使Z2通导自锁，而不能使Z3得电导通。第三次按下按钮K同第二次相似，Ja先得电吸合，其常开触点闭合，由于此时Jc未得电其常闭触点仍闭合，故Jb与Z3同时得电动作，Z3的常开触点闭合使Z3自锁，，Jb的常开触点闭合使Jc得电动作， Jc的常闭触点断开稍迟与Z3的常开触点的闭合，只能使Z3通导自锁，而不能使J4得电导通。第四次按下按钮K，Ja先得电吸合，其常开触点闭合，由于此时Jc未得电其常闭触点仍闭合，故Jb与J4才同时得电吸合J4的常开触点闭合自锁，而J4、Jc常闭触点断开使Z1、Z2、Z3失电断开，按钮K抬起其常开触点断开，使 J4失电断开。电路又回到起始状态。
2、用集成电路构成的控制电路：
懂得弱电的人，用集成电路与继电器设计这个电路就显得比较灵活，可组成不同的电路形式都可实现这个控制电路的功能，现举2例都是选用同样型号的集成块构成不同的控制电路，供大家参考：
（1）、用D触发器的工作特性组成的控制电路：
           图二、用集成块构成的控制电路图一
   该电路使用2片4013 （双D触发器）、1片4011（4与非门）、3只晶体管、3只小型继电器及电阻电容组成。
 电路原理说明：通电瞬间，C1电压=0，使与非门U3A输出为高电位，使U1、U2的R端置1而复位（即使4个D触发器Q端输出为0），使3个继电器处于断电状态，随着充电，C1的电压上升为12V（即逻辑为1），而U2B的Q\=1，故使U3A的输出=0，即4个D触发器R端=0（复位使能失效）。
     当第一次按下按钮K且抬起时，将产生由0—>1的正突跳，同时触发4个D触发器的CLK端，由于此时只有U1A的数据端D=1，其它3个数据端D=0，故触发后，U1A的Q=1，其它3个输出端Q=0，U1A的Q=1使晶体管G1导通，继电器J1得电吸合，使电机1的接触器吸合，电机1启动。此时U1A的Q=1使U1B的D端=1。当第二次按下K且抬起时，此时U1A与U1B的数据端D=1，而U2A与U2B的数据端D=0，触发结果，U1A与U1B的输出端Q=1，而U2A与U2B的输出端Q=0，故电机1仍运转，电机2启动运转。U1B的Q=1使U2A的D端=1。当第三次按下K且抬起时，此时U1A、U1B、U2A的数据端D=1，而U2B的数据端D=0，触发结果，U1A、U1B、U2A的输出端Q=1，而U2B的输出端Q=0，电机1、2仍运转，电机3启动运转。U2A的Q=1使U2B的D端=1。当第四次按下K且抬起时，此时U1A、U1B、U2A、U2B的数据端D皆=1，触发结果使U2B的输出端Q=1、Q\=0。U2B的输出端Q\=0使与非门U3A输出=1（高电位）触发4个D触发器的复位端R，使其U1、U2皆复位，3个电机断电停，U2B的输出端Q\=1，使U3A输出=0，电路又恢复起始状态。
（2）、用D触发器组成计数器形式构成的控制电路：
      图三、用集成块构成的控制电路图二
用D触发器的Q\与D相连组成双稳态电路（又称计数器电路），即CLK每产生一正突跳，将使D触发器的输出翻转一次，二级计数器相连，构成4进制计数器。图中的C3、R5与U2D构成开机复位电路，确保开机后电路的起始状态为00（即U1A、U1B的Q=0）。如依次点击按按钮4次，其U1A、U1B的输出状态为：01、10、11、00，输出状态为01，只有U2A输出=1，即使J1继电器得电吸合。输出状态为10，只有U2B输出=1，即使J2继电器得电吸合。输出状态为11，只有U2C输出=1，即使J3继电器得电吸合。输出状态为00， U2A、U2B、U2C输出皆=0，即3个继电器失电断开。再按按钮K，输出状态又为01、10、11、00……即重复上述动作。
   图中的J1、J2继电器线圈并接一RC串联回路，使其变为断电延时继电器，其作用为确保J1、J2、J3继电器换路时，不会产生因触点的竞争而使接触器产生抖动的现象：见图三右侧图，接触器Z1受J1、J2、J3三个继电器的常开触点控制，当第一次按下按钮K，其输出状态由00变为01，J1得电吸合。Z1得电吸合使电机1启动运行，当第二次按下按钮K时，输出由01变为10，如J1不是断电延时继电器，其J1失电其触点断开在先，而J2得电常开触点吸合在后，就会使Z1产生抖动，加上R6、C1，当G1管截止时，C1的电压将加在J1线圈上使其继续导通吸合，C1将通过R6、J1的线圈电阻放电，当线圈电流低于释放电流时J1才断开，当J1触点断开时，J2的触点早已闭合，故Z1不会产生抖动。第二次按下按钮使电机1、电机2运行，当第三次按下按钮K时，输出由10变为11，J3得电吸合，J2失电，由于J2也是断电延时，故Z2不会抖动，Z3得电吸合，3个电机皆运行。3个电机皆运行时只有J3的触点闭合，同时控制3个接触器。当第四次按下按钮，输出状态由11变为0，J3立即失电断开，使3个接触器同时失电断开，3个电机皆停。
上述3个电路比较，图三最为简练，只用4013、4011二个集成块。
这3个电路都是用继电器的常开触点控制交流接触器的导通，进而控制3个电机的启动与停止。也可不用继电器，用电子器件也可驱动交流接触器的导通，如用无触点交流开关驱动交流接触器的导通。但需增设触发无触点交流开关的连接电路。下面给出一种自制的最简控制交流接触器的电路，见图四：
          图四、直接启动接触器的控制电路图
图四是在图二基础上，去掉3个继电器，增加3个整流桥。用整流桥与交流接触器串联接～220V交流电源上，而晶体管作为开关并接在整流桥的直流输出二端，构成交流可控开关电路：当晶体管处于截止时，回路无电流使接触器失电断开，当晶体管处于饱和导通时，其管压降≈0，使接触器承受220V交流电压而得电吸合。使用这种电路应注意：其整流桥及晶体管要求反相耐压高的，要在300V以上为好。
就写到这儿，如有不妥之处，请给于指正，本人深表感谢。

回1楼：本文的命题是用硬件设计电路，而不是用单片机或PLC通过编程来实现控制功能。

3楼:你的想法我知道，想用计数器的1、2、3这3个输出相或后输出给G1晶体管，再用2、3 相或输出给G2，3 输出给G3。但你忘了，计数器的Q0=1,Q2=2.Q3=4,Q4=8.故你这样画，输出状态就不对了，比如G1管是按2下或按4下或按6下导通，而不是按1下、按2下、按3下导通。
  再有RC开机复位电路不应直接与Q4输出相连，因为开机瞬间，C的电压=0，这样将电源电压直接加在复位端RST,使计数器复位这是对的，但它也同时加在Q4上，而Q4输出=0，易使Q4点损坏，我也用4017计数器画个电路供你参考。见下图：

回5楼：抱歉！你说的对。查了一下4017 电路原理图，才知道它不是一般的二进制计数器，而是与上面图二画的电路结构相似：即利用D触发器的工作特点，5个D触发器的CP端是并联由同一脉冲触发的，再通过与、或门等电路，构成移位式的脉冲分配器，现将4楼图修改一下，与你画的一样，只是用4075代替二极管或门，复位电路稍改动一下：

回8楼：你说“三个交流接触器供电的JC常闭是不是可以省略？”可以省。