Cosa serve per diventare uno sviluppatore professionista di programmi per microcontrollori e raggiungere un livello di abilità che renda facile trovare e ottenere un lavoro con uno stipendio alto (lo stipendio medio di un programmatore di microcontrollori in Russia all'inizio del 2017 è 80.000 rubli). ...

Continuiamo la storia del collegamento di un potente carico al microcontrollore. Sappiamo già come collegarci al microcontrollore e. Ora è il turno di occuparsi del relè elettromagnetico.

A prima vista, collegare il relè è il più semplice. Tuttavia, questa è una semplicità ingannevole. Perché, in primo luogo, la maggior parte dei relè consuma molta più corrente di quella che il microcontrollore può fornire in uscita. E in secondo luogo, un relè elettromagnetico è un carico induttivo, che ha le sue caratteristiche (ne parleremo più avanti). Ecco perché i principianti spesso disabilitano le uscite del microcontrollore provando a collegare loro dei relè.

Come collegare un relè a un microcontrollore ed evitare problemi allo stesso tempo, un po 'più tardi. Nel frattempo, per i molto, molto principianti, ve lo dirò molto brevemente

Un relè elettromagnetico è un dispositivo speciale costituito da almeno quattro elementi principali (vedi figura):

1. Bobina
2. Nucleo
3. Ancora
4. Gruppo di contatto

La bobina (a seconda del tipo di relè) può essere progettata sia per tensione alternata che per tensione continua.

Quando viene applicata tensione alla bobina, attorno ad essa viene creato un campo magnetico che magnetizza il nucleo. Quindi l'armatura viene attratta dal nucleo e sposta il gruppo di contatti. A seconda del design, i contatti si aprono, si chiudono o si commutano. Un gruppo di contatti può contenere sia contatti normalmente chiusi che normalmente aperti. E possono esserci due contatti, o tre o più.

Quando la tensione viene rimossa dalla bobina, i contatti tornano nella loro posizione originale.

Un contatto normalmente chiuso (normalmente chiuso) è un contatto che viene chiuso quando non c'è tensione sulla bobina. Normalmente aperto (normalmente aperto), rispettivamente, si apre quando non c'è tensione sulla bobina e si chiude quando viene applicata tensione alla bobina. La figura mostra un contatto normalmente aperto.

Negli schemi e nelle descrizioni dei relè vengono solitamente utilizzate le abbreviazioni: NO - normalmente aperto (normalmente aperto), NC - normalmente chiuso (normalmente chiuso).

Principali caratteristiche del relè

Per utilizzare il relè nei tuoi dispositivi (non necessariamente sui microcontrollori), devi sapere se è adatto ai tuoi scopi o meno. Per fare ciò, è necessario conoscere le caratteristiche del relè. Caratteristiche principali:

1. Tipo di tensione della bobina (AC o DC). Per connettersi direttamente al microcontrollore o tramite un transistor, è possibile utilizzare solo un relè DC (i contatti del relè, ovviamente, possono controllare sia AC che DC).
2. Tensione della bobina (ovvero quale tensione deve essere applicata alla bobina in modo che l'armatura sia magnetizzata in modo affidabile sul nucleo).
3. Consumo di corrente della bobina.
4. La corrente nominale dei contatti (ovvero la corrente attraverso i contatti del relè a cui funzioneranno senza danni per lungo tempo).
5. Tempo di funzionamento del relè. Cioè, quanto tempo ci vuole per magnetizzare l'ancora.
6. Tempo di rilascio del relè. Cioè, quanto tempo ci vuole per smagnetizzare (rilasciare) l'armatura.

Gli ultimi due parametri di solito non vengono presi in considerazione. Tuttavia, nei casi in cui è richiesta una certa velocità (ad esempio il funzionamento di alcuni dispositivi di protezione), è necessario tenere conto di questi valori.

Bene, finalmente siamo riusciti a collegare il carico al microcontrollore tramite un relè. Ti suggerisco di ricordare. Se ricordi, puoi collegare il carico all'uscita del microcontrollore in due modi: con un più comune e con un meno comune.

Se vogliamo collegare direttamente il relè al microcontrollore, molto probabilmente viene eliminato il metodo con un meno comune, perché con questo metodo il microcontrollore è in grado di controllare un carico molto debole. E quasi tutti i relè consumano diverse decine o addirittura centinaia di mA.

E il metodo con un meno comune anche nella maggior parte dei casi non ti consentirà di collegare il relè direttamente al microcontrollore per lo stesso motivo (con questo metodo, il microcontrollore può solitamente fornire 15-20 mA in uscita, il che non sarà sufficiente per la maggior parte dei relè).

I relè reed di solito hanno un basso consumo di corrente. Tuttavia, possono commutare solo piccole correnti.

Ma c'è un trucco qui. Il fatto è che maggiore è la tensione della bobina del relè, minore è il consumo di corrente. Pertanto, se il tuo dispositivo ha una fonte di alimentazione, ad esempio 24 V e superiore, puoi facilmente selezionare un relè con un consumo di corrente accettabile.

Ad esempio, un relè cercatore La 32a serie consuma solo 8,3 mA con una tensione della bobina di 24 V.

In questo caso (quando hai due sorgenti di tensione), puoi collegare il relè in questo modo:

Come collegare un relè a un transistor

Tuttavia, nella maggior parte dei casi non è possibile utilizzare una fonte di alimentazione aggiuntiva nel dispositivo. Pertanto, di solito il relè è collegato all'uscita del microcontrollore. Come farlo, l'ho già detto. Pertanto, non mi ripeterò.

Misure di sicurezza

I relè vengono generalmente utilizzati quando è necessario controllare un carico elevato e/o un'alta tensione.

Pertanto, qui è necessario ricordare le misure di sicurezza. È desiderabile separare il circuito a bassa tensione a bassa corrente dal circuito ad alta tensione. Ad esempio, installare il relè in un alloggiamento separato o in un vano isolato separato dell'alloggiamento in modo che durante l'installazione del dispositivo non si tocchino accidentalmente i contatti ad alta tensione.

Inoltre, esiste il pericolo di danneggiare l'uscita del microcontrollore o un transistor aggiuntivo.

Il fatto è che la bobina del relè è un carico induttivo con tutte le conseguenze che ne derivano.

E qui ci sono due rischi:

1. Nel momento in cui la tensione viene applicata alla bobina, la reattanza induttiva della bobina è zero, quindi si verificherà un picco di corrente a breve termine, che supera notevolmente la corrente nominale. Ma la maggior parte dei transistor di uscita resiste a questo aumento, quindi non devi pensarci, ma devi conoscerlo e capirlo.
2. Al momento della rimozione della tensione (al momento dell'interruzione del circuito di alimentazione della bobina), si verifica EMF di autoinduzione, che può disabilitare il transistor di uscita del microcontrollore e / o un transistor aggiuntivo a cui è collegata la bobina del relè. Per evitare ciò, è sempre necessario collegare un diodo di protezione in parallelo alla bobina (vedi Fig.). Perché questo accade, non lo dirò. Chi se ne frega, ricorda o studia ingegneria elettrica.

IMPORTANTE!
Prestare attenzione all'inclusione del diodo. Dovrebbe accendersi proprio così, e non viceversa, come pensano alcune persone.

Molti radioamatori principianti iniziano a familiarizzare con l'elettronica con circuiti semplici, che sono pieni su Internet. Ma se si tratta di un dispositivo di controllo in cui una sorta di attuatore è collegato al circuito e il metodo di connessione non è indicato nel circuito, allora il principiante ha difficoltà. Questo articolo è stato scritto per aiutare i radioamatori alle prime armi ad affrontare questo problema.

Carichi CC.

Il primo modo è collegarsi tramite un resistore

Il modo più semplice - adatto per carichi a bassa corrente - LED.

Rgas \u003d (U / I) - Rн

Dove U è la tensione di alimentazione (in Volt), I è la corrente consentita attraverso il circuito (in Ampere), R è la resistenza di carico (in Ohm)

Il secondo modo: transistor bipolare

Se la corrente di carico consumata è maggiore della corrente di uscita massima del dispositivo, il resistore non sarà di aiuto in questo caso. Devi aumentare la corrente. Per questo, vengono solitamente utilizzati i transistor.

In questo circuito viene utilizzato un transistor npn, collegato secondo il circuito OE. Con questo metodo, puoi collegare un carico con una tensione di alimentazione superiore alla potenza del tuo dispositivo. La resistenza R1 è necessaria per limitare la corrente che scorre attraverso il transistor, solitamente impostata su 1-10 kOhm.

Il terzo modo è un transistor ad effetto di campo

Per controllare il carico, la cui corrente è di decine di ampere (in particolare potenti motori elettrici, lampade, ecc.), viene utilizzato un transistor ad effetto di campo.

La resistenza R1 limita la corrente attraverso il gate. Poiché il transistor ad effetto di campo è controllato da piccole correnti e se l'uscita del dispositivo a cui è collegato il gate è in uno stato Z ad alta impedenza, il dispositivo di campo si aprirà e si chiuderà in modo imprevedibile, rilevando interferenze. Per eliminare questo comportamento, l'uscita del dispositivo viene "premuta" a terra con una resistenza da 10kΩ.
Il transistor ad effetto di campo ha una caratteristica: la sua lentezza. Se viene superata la frequenza consentita, si surriscalda.

Corrente alternata.

Il primo modo è un relè.

Il modo più semplice per controllare un carico AC è con un relè. Il relè stesso è un carico ad alta corrente: è necessario accenderlo tramite un transistor bipolare o ad effetto di campo.

Gli svantaggi del relè sono la sua lentezza e l'usura meccanica delle parti.

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● Progetto 12: Controllo di un relè tramite un transistor

In questo esperimento faremo conoscenza con un relè con il quale puoi controllare un carico potente non solo in corrente continua, ma anche alternata con Arduino.

Componenti richiesti:

Il relè è un interruttore meccanico controllato elettricamente che ha due circuiti separati: un circuito di controllo, rappresentato dai contatti (A1, A2), e un circuito controllato, i contatti 1, 2, 3 (vedi Fig. 12.1).

Le catene non sono collegate in alcun modo. Un nucleo metallico è installato tra i contatti A1 e A2, quando la corrente scorre attraverso di esso, viene attratta da un'armatura mobile (2). I contatti 1 e 3 sono fissi. Vale la pena notare che l'armatura è caricata a molla e fino a quando non passiamo corrente attraverso il nucleo, l'armatura verrà premuta contro il pin 3. Quando viene applicata la corrente, come già accennato, il nucleo si trasforma in un elettromagnete e viene attratto dal pin 1. Quando diseccitata, la molla riporta l'indotto nuovamente al pin 3 .

Quando si collega un relè ad Arduino, il pin del microcontrollore non può fornire la potenza necessaria per far funzionare correttamente la bobina. Pertanto, è necessario amplificare la corrente: metti un transistor. Per l'amplificazione, è più conveniente utilizzare un transistor n-p-n collegato secondo il circuito OE (vedi Fig. 12.2). Con questo metodo è possibile collegare un carico con una tensione di alimentazione superiore all'alimentazione del microcontrollore.
Il resistore di base è un resistore di limitazione. Può variare ampiamente (1-10 kOhm), in ogni caso il transistor funzionerà in modalità di saturazione. Qualsiasi transistor npn può essere utilizzato come transistor. Il guadagno è praticamente irrilevante. Il transistor viene selezionato in base alla corrente di collettore (la corrente di cui abbiamo bisogno) e alla tensione collettore-emettitore (la tensione che alimenta il carico).

Per accendere il relè collegato secondo lo schema con l'OE, è necessario applicare 1 al pin Arduino, per spegnerlo - 0. Colleghiamo il relè alla scheda Arduino secondo lo schema di fig. 12.3 e scrivere uno sketch di controllo del relè. Ogni 5 secondi il relè si accende (on/off). Quando si commuta il relè, si sente un clic caratteristico.
Il contenuto dello schizzo è mostrato nel Listato 12.1.

int relèPin = 10 ; // collega al pin D10 di Arduino configurazione vuota ()(pinMode(relèPin, OUTPUT); // configura l'uscita come uscita (OUTPUT) } // la funzione viene eseguita ciclicamente un numero infinito di volte ciclo vuoto()( digitalWrite(relèPin, HIGH); // abilita il ritardo del relè(5000); digitalWrite(relèPin, LOW); // Disattiva il relè ritardo(5000); )

Ordine di connessione:

1. Colleghiamo gli elementi alla scheda Arduino secondo lo schema di fig. 12.3.
2. Caricare lo sketch dal Listato 12.1 nella scheda Arduino.
3. Ogni 5 secondi si verifica un clic di commutazione del relè se si collegano i contatti del relè, ad esempio, nello spazio di una cartuccia con una lampada a incandescenza collegata a una rete a 220 V, vedremo il processo di accensione / spegnimento dell'incandescenza lampada ogni 5 secondi (Fig. 12.3).

In questo articolo vengono illustrati i driver importanti e i circuiti adeguati necessari per collegare in modo sicuro dispositivi esterni all'I/O di un MCU (Microcontroller Unit, MCU).

introduzione

Una volta che hai un'idea per un progetto, è molto allettante saltare direttamente al collegamento di Arduino a circuiti e dispositivi come LED, relè e altoparlanti. Tuttavia, farlo senza i circuiti corretti può essere fatale per il tuo microcontrollore.

Molti dispositivi I/O assorbono molta corrente (> 100 mA) che la maggior parte dei microcontrollori non è in grado di fornire in modalità provvisoria e quando tentano di fornire questa quantità di corrente, spesso si interrompono. Qui veniamo in aiuto di regimi speciali chiamati "driver" (inglese - driver). I driver sono circuiti che possono prendere un segnale piccolo e debole da un microcontrollore e quindi utilizzare quel segnale per pilotare una sorta di dispositivo che consuma energia.

Affinché i microcontrollori funzionino correttamente con dispositivi esterni, a volte sono necessari circuiti speciali. Questi dispositivi esterni includono:

• Circuiti pilota
• Schemi di protezione degli ingressi
• Circuiti di protezione dell'uscita
• Circuiti di isolamento

Quindi diamo un'occhiata ad alcuni di questi schemi e vediamo come funzionano!

Driver a diodo a emissione di luce (LED) semplice

Questo semplice circuito è conveniente per pilotare LED ad alta potenza con microcontrollori in cui l'uscita del microcontrollore è collegata a "IN".

Quando il microcontrollore emette 0, il transistor Q1 si spegne e anche il LED D1. Quando il microcontrollore emette 1, il transistor si accende e quindi si accende anche D1. Il valore di R1 dipende dalla tensione di uscita del microcontrollore, ma i valori compresi tra 1KΩ ~ 10KΩ spesso funzionano bene. Il valore di R2 dipende dalla dimensione del carico che si sta alimentando e questo circuito è adatto per alimentare dispositivi fino a 1A e non oltre.

Semplice driver a relè

I dispositivi che assorbono più di 1 A di corrente e si accendono e si spengono ogni pochi secondi sono più adatti per i relè.

Sebbene i relè siano abbastanza semplici (un piccolo elettromagnete che attira un braccio metallico per chiudere il circuito), non possono essere controllati direttamente da un microcontrollore.

I relè normali richiedono correnti di circa 60 mA ~ 100 mA, che è troppo alta per la maggior parte dei microcontrollori, quindi i relè richiedono un circuito che utilizzi il controllo a transistor (come mostrato sopra). Tuttavia, invece di un resistore da utilizzare per limitare la corrente, è necessario un diodo di protezione dall'inversione (D1).

Quando il microcontrollore (collegato a "IN") emette un 1, il transistor Q1 si accende. Questo accende il relè RL1 e di conseguenza si accende la spia (R2). Se il microcontrollore emette 0, il transistor Q1 si spegne, spegnendo il relè e quindi la lampada si spegne.

I relè sono molto comuni nei circuiti che richiedono la commutazione di circuiti di alimentazione CA e sono disponibili per la commutazione di 230 V e 13 A (adatto per tostapane, bollitori, computer e aspirapolvere).

Bottoni

Quando si collega un pulsante a un microcontrollore, a volte possono verificarsi semplici problemi. Il primo (e più fastidioso) problema si presenta sotto forma di rimbalzo, in cui il pulsante invia molti segnali quando viene premuto e rilasciato.

I bottoni sono solitamente un pezzo di metallo che entra in contatto con qualche altro metallo, ma quando i bottoni entrano in contatto spesso rimbalzano (anche se spesso sono minuscoli). Questo rimbalzo significa che il pulsante si connette e si disconnette alcune volte prima di bloccarsi, risultando in un risultato che appare brevemente casuale. Poiché i microcontrollori sono molto veloci, possono catturare questo rimbalzo ed eseguire eventi di pressione dei pulsanti più volte. Per eliminare il rimbalzo, puoi utilizzare il diagramma seguente. Il circuito mostrato qui è un circuito molto banale che funziona bene ed è facile da costruire.

Protezione in ingresso: tensione

Non tutti i dispositivi di input saranno amichevoli per il tuo microcontrollore e alcune fonti potrebbero persino essere dannose. Se hai sorgenti di ingresso che provengono dall'ambiente (es. sensore di tensione, sensore pioggia, contatto umano) o sorgenti di input che possono emettere tensioni superiori a quelle che il microcontrollore può gestire (es. circuiti induttori), allora dovrai abilitare alcuni input protezione da tensione. Il circuito mostrato di seguito utilizza diodi zener da 5 V per limitare le tensioni di ingresso in modo che la tensione di ingresso non possa andare al di sopra di 5 V e al di sotto di 0 V. Il resistore 100R viene utilizzato per evitare troppa corrente quando il diodo Zener rileva la tensione di ingresso.

Protezione I/O: corrente

Gli ingressi e le uscite dei microcontrollori a volte possono essere protetti da troppa corrente. Se un dispositivo come un LED assorbe meno corrente della massima corrente di uscita dal microcontrollore, il LED può essere collegato direttamente al microcontrollore. Tuttavia, sarà comunque necessario un resistore in serie, come mostrato di seguito, e i valori di resistore in serie comuni per i LED includono 470 ohm, 1 k ohm e persino 2,2 k ohm. Le serie di resistori sono utili anche per i pin di ingresso nei rari casi in cui i pin del microcontrollore sono danneggiati o il dispositivo di ingresso sta subendo un picco di corrente in uscita.

Trasduttori di livello

In passato, la maggior parte dei segnali in un circuito funzionava alla stessa tensione e questa tensione era tipicamente di 5 V. Tuttavia, con le crescenti capacità tecnologiche dell'elettronica moderna, la tensione sui nuovi dispositivi sta diminuendo. Per questo motivo, molti circuiti includono segnali misti in cui le parti più vecchie possono funzionare a 5 V mentre le parti più recenti funzionano a 3,3 V.

Sebbene molti radioamatori preferirebbero utilizzare un unico livello di tensione, la verità è che le parti più vecchie da 5 volt potrebbero non funzionare a 3,3 volt mentre le unità più recenti da 3,3 volt non possono funzionare alla tensione più alta 5 Q. Se un dispositivo da 5 V e un dispositivo da 3,3 V desiderano per comunicare, è necessario lo spostamento del livello, che converte un segnale di tensione in un altro. Alcuni dispositivi da 3,3 V hanno una "tolleranza" di 5 V, il che significa che un segnale da 5 V può connettersi direttamente a un segnale da 3,3 V, ma la maggior parte dei dispositivi da 5 V non può trasportare 3,3 V. Per coprire entrambe le opzioni, di seguito gli schemi mostrano la conversione da 5 V a 3,3 V e vice versa.

Isolamento: Optoisolatore

A volte il circuito con cui il microcontrollore deve comunicare può presentare troppi problemi, come scariche elettrostatiche (ESD), ampie fluttuazioni di tensione e imprevedibilità. In tali situazioni, possiamo utilizzare un dispositivo chiamato optoisolatore, che consente a due circuiti di comunicare senza essere fisicamente collegati tra loro da fili.

Gli optoisolatori comunicano utilizzando la luce, in cui un circuito emette luce che viene poi rilevata da un altro circuito. Ciò significa che gli optoisolatori non vengono utilizzati per la comunicazione analogica (ad es. livelli di tensione), ma invece per la comunicazione digitale, in cui l'uscita è attiva o disattiva. Gli optoisolatori possono essere utilizzati sia per gli ingressi che per le uscite dei microcontrollori in cui gli ingressi o le uscite potrebbero essere potenzialmente pericolosi per il microcontrollore. È interessante notare che gli optoisolatori possono essere utilizzati anche per il cambio di livello!

Gunther Kraut, Germania

Logica "1", logica "0" e alta impedenza. Tre stati di uscita corrispondono a tre stati del motore: "avanti", "indietro" e "stop"

Per controllare due carichi indipendenti, come i relè, sono solitamente necessarie due porte I/O del microcontrollore. In questo caso, hai la possibilità di accendere due relè, accenderne uno e spegnere l'altro o spegnere entrambi. Se non è necessario attivare due relè contemporaneamente, è possibile controllare i restanti tre stati utilizzando un'uscita del microcontrollore. Questo utilizza lo stato di uscita ad alta impedenza.

Questo circuito può essere utilizzato, ad esempio, nel controllo di motori elettrici. Il senso di rotazione del motore dipende da quale delle sue due fasi è selezionata. Per la commutazione di fase possono essere utilizzati sia i classici relè MOS elettromeccanici che quelli a stato solido. In ogni caso, l'apertura di entrambi i relè arresterà il motore.

Per controllare i relè elettromeccanici viene utilizzato il circuito mostrato in Figura 1. Quando la logica "1" all'uscita del microcontrollore, il transistor Q 1 accende il relè REL 1, che consente al motore di ruotare in avanti. Quando l'uscita passa a "0", il transistor Q 3 si apre. In questo modo i contatti REL 2 si chiudono e il motore inizia a ruotare nella direzione opposta. Se la porta del microcontrollore è in uno stato di alta impedenza, i transistor Q 1 , Q 2 e Q 3 si spengono, poiché la tensione di 1 V alla base di Q 2 è inferiore alla somma delle tensioni di soglia delle giunzioni base-emettitore di Q 1 e Q 2 e la caduta di tensione attraverso il diodo D 1 . Entrambi i relè si spengono e il motore si ferma. Una tensione di 1 V può essere ottenuta utilizzando un partitore di tensione o un inseguitore di emettitore. I diodi D 2 e D 3 servono a proteggere i collettori Q 1 e Q 2 dalle sovratensioni che si verificano quando il relè è spento. Quasi tutti i transistor NPN e PNP a bassa potenza possono essere utilizzati nel circuito. Anche la scelta di D 1 è priva di princìpi.

Il circuito per pilotare il relè MOS è più semplice, poiché i LED possono essere collegati direttamente all'uscita di quasi tutti i microcontrollori (Figura 2). La logica "1" accende il LED relè S 1 e la logica "0" - S 2, aprendo i corrispondenti triac di uscita. Quando la porta entra nello stato di alta impedenza, entrambi i LED si spengono perché la tensione di 1,2 V CC è inferiore alla somma delle tensioni di soglia dei due LED. I varistori R 3 , R 5 e il circuito snubber C 1 , R 4 , C 2 , R 6 servono a proteggere il relè MOS. I parametri di questi elementi sono selezionati in base al carico.