Какво е необходимо, за да станете професионален разработчик на програми за микроконтролери и да достигнете ниво на умения, което ще улесни намирането и намирането на работа с висока заплата (средната заплата на програмист на микроконтролери в Русия в началото на 2017 г. е 80 000 рубли). ...

Продължаваме историята за свързването на мощен товар към микроконтролера. Вече знаем как да се свържем с микроконтролера и. Сега е ред да се справим с електромагнитното реле.

На пръв поглед свързването на релето е най-простото. Това обаче е измамна простотия. Защото, първо, повечето релета консумират много повече ток, отколкото микроконтролерът може да осигури на изхода. И второ, електромагнитното реле е индуктивен товар, който има свои собствени характеристики (повече за това по-късно). Ето защо начинаещите често деактивират изходите на микроконтролера, като се опитват да свържат релета към тях.

Как да свържете реле към микроконтролер и да избегнете проблеми в същото време - малко по-късно. Междувременно, за много, много начинаещи, ще ви разкажа съвсем накратко

Електромагнитното реле е специално устройство, което се състои от най-малко четири основни елемента (виж фигурата):

1. Намотка
2. Ядро
3. Котва
4. Група за контакти

Бобината (в зависимост от вида на релето) може да бъде проектирана или за променливо напрежение, или за постоянно напрежение.

Когато върху намотката се приложи напрежение, около нея се създава магнитно поле, което намагнитва сърцевината. Тогава котвата се привлича към сърцевината и измества групата от контакти. В зависимост от дизайна, контактите се отварят, затварят или превключват. Контактната група може да съдържа както нормално затворени, така и нормално отворени контакти. И може да има два контакта, или три или повече.

Когато напрежението се отстрани от намотката, контактите се връщат в първоначалното си положение.

Нормално затворен (нормално затворен) контакт е контакт, който е затворен, когато няма напрежение върху бобината. Нормално отворен (нормално отворен), съответно отворен, когато няма напрежение върху бобината и затворен, когато напрежението е приложено към намотката. Фигурата показва нормално отворен контакт.

На диаграмите и в описанието на релето обикновено се използват съкращения: NO - нормално отворен (нормално отворен), NC - нормално затворен (нормално затворен).

Основни характеристики на релето

За да използвате реле във вашите устройства (не непременно на микроконтролери), трябва да знаете дали то е подходящо за вашите цели или не. За да направите това, трябва да знаете характеристиките на релето. Основни характеристики:

1. Тип напрежение на бобината (AC или DC). За директно свързване към микроконтролера или чрез транзистор може да се използва само DC реле (контактите на релето, разбира се, могат да управляват както AC, така и DC).
2. Напрежение на бобината (тоест какво напрежение трябва да бъде приложено към намотката, така че котвата да е надеждно намагнетизирана към сърцевината).
3. Консумация на ток на бобината.
4. Номиналният ток на контактите (тоест токът през контактите на релето, при който те ще работят без повреди за дълго време).
5. Време за работа на релето. Тоест колко време е необходимо за намагнетизиране на котвата.
6. Време за освобождаване на релето. Тоест колко време е необходимо за демагнетизиране (освобождаване) на котвата.

Последните два параметъра обикновено не се вземат предвид. Въпреки това, в случаите, когато е необходима определена скорост (например, работата на някои защитни устройства), тогава тези стойности трябва да се вземат предвид.

Е, накрая стигнахме до свързването на товара към микроконтролера чрез реле. Предлагам ви да си спомните. Ако си спомняте, тогава можете да свържете товара към изхода на микроконтролера по два начина: с общ плюс и с общ минус.

Ако искаме да свържем релето директно към микроконтролера, тогава методът с общ минус най-вероятно е елиминиран, тъй като с този метод микроконтролерът може да контролира много слаб товар. И почти всички релета консумират няколко десетки или дори стотици mA.

И методът с общ минус също в повечето случаи няма да ви позволи да свържете релето директно към микроконтролера по същата причина (с този метод микроконтролерът обикновено може да осигури 15-20 mA на изхода, което няма да е достатъчно за повечето релета).

Рийд релетата обикновено имат ниска консумация на ток. Те обаче могат да превключват само малки токове.

Но тук има един трик. Факт е, че колкото по-високо е напрежението на бобината на релето, толкова по-ниска е консумацията на ток. Ето защо, ако вашето устройство има източник на захранване, например 24 V и по-високи, тогава можете лесно да изберете реле с приемлива консумация на ток.

Например, реле Finder 32-ра серия консумира само 8,3 mA при напрежение на бобината от 24V.

В този случай (когато имате два източника на напрежение), можете да свържете релето по следния начин:

Как да свържете реле към транзистор

В повечето случаи обаче не е възможно да се използва допълнителен източник на захранване в устройството. Следователно, обикновено релето е свързано към изхода на микроконтролера. Как да направя това, вече казах. Затова няма да се повтарям.

Мерки за сигурност

Релетата обикновено се използват, когато трябва да се контролира голям товар и/или високо напрежение.

Ето защо тук е необходимо да запомните мерките за сигурност. Желателно е веригата с ниско напрежение да се отдели от веригата с високо напрежение. Например, инсталирайте релето в отделен корпус или в отделно изолирано отделение на корпуса, така че при настройка на устройството да не докосвате случайно контакти с високо напрежение.

Освен това има опасност от повреда на изхода на микроконтролера или допълнителен транзистор.

Факт е, че бобината на релето е индуктивен товар с всички произтичащи от това последици.

И тук има два риска:

1. В момента, в който напрежението е приложено към бобината, индуктивното реактивно съпротивление на бобината е нула, така че ще има краткотраен скок на тока, значително надвишаващ номиналния ток. Но повечето изходни транзистори издържат на този скок, така че не е нужно да мислите за това, но трябва да го знаете и разбирате.
2. В момента на премахване на напрежението (в момента на прекъсване на веригата за захранване на бобината) възниква самоиндукция EMF, която може да деактивира изходния транзистор на микроконтролера и / или допълнителен транзистор, към който е свързана релейната бобина. За да избегнете това, винаги е необходимо да свържете защитен диод успоредно с бобината (вижте фиг.). Защо се случва това, няма да кажа. На кого му пука, помни или учи електротехника.

ВАЖНО!
Обърнете внимание на включването на диода. Трябва да се включва просто така, а не обратното, както си мислят някои хора.

Много начинаещи радиолюбители започват да се запознават с електрониката с прости схеми, които са пълни в интернет. Но ако това е управляващо устройство, в което към веригата е свързан някакъв задвижващ механизъм и методът на свързване не е посочен във веригата, тогава начинаещият има трудности. Тази статия е написана, за да помогне на начинаещите радиолюбители да се справят с този проблем.

DC товари.

Първият начин е да се свържете чрез резистор

Най-лесният начин - подходящ за слаботокови натоварвания - светодиоди.

Rgas \u003d (U / I) - Rн

Където U е захранващото напрежение (в волтове), I е допустимият ток през веригата (в ампери), Rн е съпротивлението на натоварване (в ома)

Вторият начин - Биполярен транзистор

Ако консумираният ток на натоварване е по-голям от максималния изходен ток на вашето устройство, тогава резисторът няма да помогне тук. Трябва да увеличите тока. За това обикновено се използват транзистори.

В тази схема се използва n-p-n транзистор, свързан според OE веригата. С този метод можете да свържете товар с по-високо захранващо напрежение от мощността на вашето устройство. Резистор R1 е необходим за ограничаване на тока, протичащ през транзистора, обикновено настроен на 1-10 kOhm.

Третият начин е полеви транзистор

За управление на товара, чийто ток е десетки ампера (особено мощни електродвигатели, лампи и др.), се използва полеви транзистор.

Резистор R1 ограничава тока през портата. Тъй като полевият транзистор се управлява от малки токове и ако изходът на вашето устройство, към което е свързан портата, е в Z-състояние с висок импеданс, полевото устройство ще се отваря и затваря непредвидимо, улавяйки смущения. За да се елиминира това поведение, изходът на устройството се „притиска“ към земята с резистор 10kΩ.
Полевият транзистор има особеност - неговата бавност. Ако допустимата честота е надвишена, тя ще се прегрее.

Променлив ток.

Първият начин е реле.

Най-простият начин за управление на AC натоварване е с реле. Самото реле е с висок ток - трябва да го включите чрез биполярен или полеви транзистор.

Недостатъците на релето са неговата бавност и механично износване на частите.

Нови статии

● Проект 12: Управление на реле чрез транзистор

В този експеримент ще се запознаем с реле, с което можете да управлявате мощен товар не само постоянен, но и променлив ток с Arduino.

Необходими компоненти:

Релето е електрически управляван механичен ключ, който има две отделни вериги: управляваща верига, представена от контакти (A1, A2), и управлявана верига, контакти 1, 2, 3 (виж фиг. 12.1).

Веригите не са свързани по никакъв начин. Между контактите A1 и A2 е монтирана метална сърцевина, когато през нея протича ток, към нея се привлича подвижна котва (2). Контакти 1 и 3 са фиксирани. Струва си да се отбележи, че котвата е пружинирана и докато не преминем ток през сърцевината, котвата ще бъде притисната към щифт 3. Когато се приложи ток, както вече споменахме, ядрото се превръща в електромагнит и се привлича към щифта 1. Когато е изключена, пружината връща котвата към щифт 3 отново.

Когато свързвате реле към Arduino, щифтът на микроконтролера не може да осигури необходимата мощност, за да накара бобината да работи правилно. Следователно е необходимо да се усили токът - да се постави транзистор. За усилване е по-удобно да се използва n-p-n-транзистор, свързан според OE веригата (виж фиг. 12.2). С този метод можете да свържете товар с по-високо захранващо напрежение от захранването на микроконтролера.
Базовият резистор е ограничаващ резистор. Може да варира в широки граници (1-10 kOhm), във всеки случай транзисторът ще работи в режим на насищане. Всеки n-p-n-транзистор може да се използва като транзистор. Печалбата е практически без значение. Транзисторът се избира според тока на колектора (тока, от който се нуждаем) и напрежението колектор-емитер (напрежението, което захранва товара).

За да включите релето, свързано по схемата с OE, трябва да приложите 1 към щифта Arduino, за да го изключите - 0. Нека свържем релето към платката Arduino според диаграмата на фиг. 12.3 и напишете скица за управление на релето. На всеки 5 секунди релето ще се включва (включване/изключване). При превключване на релето се чува характерно щракване.
Съдържанието на скицата е показано в листинг 12.1.

int relayPin = 10; // свържете се с щифт D10 на Arduino void setup()( pinMode(relayPin, OUTPUT); // конфигуриране на изхода като изход (OUTPUT) } // функцията се изпълнява циклично безкраен брой пъти празен цикъл ()( digitalWrite(relayPin, HIGH); // активиране на забавянето на релето (5000 ); digitalWrite(relayPin, LOW); // изключете релетозабавяне (5000 ); )

Ред на свързване:

1. Свързваме елементите към платката Arduino според диаграмата на фиг. 12.3.
2. Заредете скицата от листинг 12.1 в платката на Arduino.
3. На всеки 5 секунди има щракване при превключване на релето, ако свържете контактите на релето, например, в процепа на патрон с лампа с нажежаема жичка, свързана към 220 V мрежа, ще видим процеса на включване / изключване на нажежаема жичка лампа на всеки 5 секунди (фиг. 12.3).

Тази статия обсъжда важните драйвери и правилните схеми, необходими за сигурно свързване на външни устройства към I/O на MCU (Microcontroller Unit, MCU).

Въведение

След като имате идея за проект, е много изкушаващо да преминете директно към свързването на Arduino към схеми и устройства като светодиоди, релета и високоговорители. Въпреки това, правенето на това без правилната схема може да бъде фатално за вашия микроконтролер.

Много I/O устройства черпят много ток (> 100 mA), който повечето микроконтролери не могат да доставят в безопасен режим, и когато се опитват да осигурят това количество ток, често се прекъсват. Тук идваме на помощ на специални схеми, наречени "драйвъри" (на английски - drivers). Драйверите са схеми, които могат да приемат малък, слаб сигнал от микроконтролер и след това да използват този сигнал за задвижване на някакво устройство, което консумира енергия.

За да могат микроконтролерите да работят правилно с външни устройства, понякога са необходими специални схеми. Тези външни устройства включват:

• Вериги на драйвери
• Схеми за защита на входа
• Вериги за защита на изхода
• Изолационни вериги

Така че нека да разгледаме някои от тези схеми и да видим как работят!

Прост драйвер за светодиоди (LED).

Тази проста схема е удобна за задвижване на светодиоди с висока мощност с микроконтролери, където изходът на микроконтролера е свързан към "IN".

Когато микроконтролерът изведе 0, транзисторът Q1 се изключва, както и светодиодът D1. Когато микроконтролерът изведе 1, транзисторът се включва и така D1 също се включва. Стойността на R1 зависи от изходното напрежение на вашия микроконтролер, но стойностите между 1KΩ ~ 10KΩ често работят добре. Стойността на R2 зависи от размера на товара, който захранвате, и тази схема е подходяща за захранване на устройства до 1A и не повече.

Прост драйвер за реле

Устройствата, които черпят повече от 1A ток и се включват и изключват на всеки няколко секунди, са по-подходящи за релета.

Въпреки че релетата са доста прости (малък електромагнит, който привлича метално рамо, за да затвори веригата), те не могат да се управляват директно от микроконтролер.

Нормалните релета изискват токове около 60mA ~ 100mA, което е твърде високо за повечето микроконтролери, така че релетата изискват схема, използваща транзисторно управление (както е показано по-горе). Въпреки това, вместо резистор, който да се използва за ограничаване на тока, е необходим диод за обратна защита (D1).

Когато микроконтролерът (свързан към "IN") изведе 1, тогава транзисторът Q1 се включва. Това включва релето RL1 и в резултат лампата (R2) светва. Ако микроконтролерът изведе 0, транзисторът Q1 се изключва, което изключва релето и следователно лампата се изключва.

Релетата са много често срещани във вериги, които изискват превключване на променливотокови захранващи вериги и се предлагат за превключване на 230V и 13A (подходящи за тостери, чайници, компютри и прахосмукачки).

Бутони

Когато свързвате бутон към микроконтролер, понякога могат да възникнат прости проблеми. Първият (и най-досаден) проблем идва под формата на отскачане, при което бутонът изпраща много сигнали при натискане и освобождаване.

Бутоните обикновено са парче метал, което влиза в контакт с друг метал, но когато бутоните осъществят контакт, те често отскачат (въпреки че най-често са малки). Това отскачане означава, че бутонът се свързва и прекъсва няколко пъти, преди да се заключи, което води до резултат, който за кратко изглежда случаен. Тъй като микроконтролерите са много бързи, те могат да уловят това отскачане и да изпълнят събития за натискане на бутон няколко пъти. За да се отървете от отскачането, можете да използвате диаграмата по-долу. Веригата, показана тук, е много тривиална верига, която работи добре и е лесна за изграждане.

Входна защита: напрежение

Не всички входни устройства ще бъдат приятелски настроени към вашия микроконтролер, а някои източници може дори да са вредни. Ако имате входни източници, които идват от околната среда (например сензор за напрежение, сензор за дъжд, човешки контакт) или входни източници, които могат да извеждат напрежения, надвишаващи това, което микроконтролерът може да поеме (например индукторни вериги), тогава ще трябва да активирате някакъв вход защита от напрежение. Веригата, показана по-долу, използва ценерови диоди от 5 V, за да ограничи входните напрежения, така че входното напрежение да не може да надвиши 5 V и под 0 V. Резисторът 100R се използва за предотвратяване на твърде много ток, когато диодът Zener улавя входното напрежение.

I/O защита: ток

Входовете и изходите на микроконтролерите понякога могат да бъдат защитени от твърде много ток. Ако устройство като светодиод черпи по-малко ток от максималния изходен ток от микроконтролера, тогава светодиодът може да бъде директно свързан към микроконтролера. Въпреки това, все още ще е необходим сериен резистор, както е показано по-долу, а общите стойности на серийния резистор за светодиодите включват 470 ома, 1 k ома и дори 2,2 k ома. Серията резистори е полезна и за входни изводи в редки случаи, когато изводите на микроконтролера са лоши или входното устройство изпитва скок на изходния ток.

Нивопреобразуватели

В миналото повечето от сигналите в една верига са работили при същото напрежение и това напрежение обикновено е било 5 V. Въпреки това, с нарастващите технологични възможности на съвременната електроника, напрежението на новите устройства намалява. Поради това много вериги включват смесени сигнали, при които по-старите части могат да работят при 5V, докато по-новите части работят при 3,3V.

Въпреки че много радиолюбители биха предпочели да използват едно ниво на напрежение, истината е, че по-старите части от 5 волта може да не работят при 3,3 волта, докато по-новите устройства от 3,3 волта не могат да работят при по-високо напрежение 5 Q. Ако 5V устройство и 3,3V устройство искат за да комуникира, тогава е необходимо изместване на нивото, което преобразува един сигнал за напрежение в друг. Някои 3.3V устройства имат 5V "толеранс", което означава, че 5V сигнал може директно да се свърже с 3.3V сигнал, но повечето 5V устройства не могат да пренасят 3.3V. За да покрият и двете опции, по-долу схемите показват преобразуване от 5V в 3.3V и обратно.

Изолация: Оптоизолатор

Понякога веригата, с която микроконтролерът трябва да комуникира, може да създаде твърде много проблеми, като електростатичен разряд (ESD), големи колебания на напрежението и непредсказуемост. В такива ситуации можем да използваме устройство, наречено оптоизолатор, което позволява на две вериги да комуникират, без да са физически свързани една с друга чрез проводници.

Оптоизолаторите комуникират с помощта на светлина, където една верига излъчва светлина, която след това се открива от друга верига. Това означава, че оптоизолаторите не се използват за аналогова комуникация (например нива на напрежение), а вместо това за цифрова комуникация, където изходът е включен или изключен. Оптоизолаторите могат да се използват както за входове, така и за изходи към микроконтролери, където входовете или изходите могат да бъдат потенциално опасни за микроконтролера. Интересното е, че оптоизолаторите могат да се използват и за смяна на нивото!

Гюнтер Краут, Германия

Логическа "1", логическа "0" и висок импеданс. Три изходни състояния съответстват на три състояния на двигателя: "напред", "назад" и "стоп"

За управление на два независими товара, като релета, обикновено са необходими два I/O порта на микроконтролера. В този случай имате възможност да включите две релета, да включите едното и да изключите другото или да изключите и двете. Ако не е необходимо да включвате две релета едновременно, можете да управлявате останалите три състояния, като използвате един изход на микроконтролера. Това използва изходното състояние с висок импеданс.

Тази схема може да се използва например при управлението на електрически двигатели. Посоката на въртене на двигателя зависи от това коя от двете му фази е избрана. За фазово превключване могат да се използват както класически електромеханични, така и твърдотелни MOS релета. Така или иначе, отварянето на двете релета ще спре двигателя.

За управление на електромеханичните релета се използва схемата, показана на фигура 1. Когато логическата "1" на изхода на микроконтролера, транзисторът Q 1 включва релето REL 1, което позволява на двигателя да се върти в посока напред. Когато изходът се превключи на "0", транзисторът Q 3 се отваря. Това кара контактите REL 2 да се затварят и двигателят започва да се върти в обратна посока. Ако портът на микроконтролера е в състояние с висок импеданс, транзисторите Q 1 , Q 2 и Q 3 се изключват, тъй като 1 V напрежението в основата на Q 2 е по-малко от сумата на праговите напрежения на връзките база-емитер на Q 1 и Q 2 и спада на напрежението на диода D 1 . И двете релета се изключват и двигателят спира. Напрежение от 1 V може да се получи с помощта на делител на напрежение или емитерен последовател. Диодите D 2 и D 3 служат за защита на колекторите Q 1 и Q 2 от пренапрежения, възникващи при изключване на релето. Във веригата могат да се използват почти всякакви транзистори NPN и PNP с ниска мощност. Изборът на D 1 също е безпринципен.

Схемата за задвижване на MOS релето е по-проста, тъй като светодиодите могат да бъдат свързани директно към изхода на почти всеки микроконтролер (Фигура 2). Логическата "1" включва релейния светодиод S 1, а логическата "0" - S 2, отваряйки съответните изходни триаци. Когато портът влезе в състояние с висок импеданс, и двата светодиода се изключват, тъй като 1.2V DC напрежението е по-малко от сумата на праговите напрежения на двата светодиода. Варисторите R 3 , R 5 и демпферната верига C 1 , R 4 , C 2 , R 6 служат за защита на MOS релето. Параметрите на тези елементи се избират в съответствие с натоварването.