Что нужно для того, чтобы стать профессиональным разработчиком программ для микроконтроллеров и выйти на такой уровень мастерства, который позволит с лёгкостью найти и устроиться на работу с высокой зарплатой (средняя зарплата программиста микроконтроллеров по России на начало 2017 года составляет 80 000 рублей). ...

Продолжаем рассказ о подключении мощной нагрузки к микроконтроллеру. Мы уже знаем, как подключить к микроконтроллеру и . Теперь пришла очередь разобраться с электромагнитным реле.

На первый взгляд подключение реле - самое простое. Однако это обманчивая простота. Потому что, во-первых, большинство реле потребляют ток значительно больший, чем может обеспечить на выходе микроконтроллер. А во-вторых, электромагнитное реле - это индуктивная нагрузка, которая имеет свои особенности (об этом дальше). Именно поэтому новички нередко выводят выходы микроконтроллера из строя, пытаясь подключить к ним реле.

Как подключить реле к микроконтроллеру и избежать при этом неприятностей - чуть позже. А пока для самых-самых начинающих очень коротко расскажу

Электромагнитное реле - это специальное устройство, которое состоит, как минимум, из четырёх основных элементов (см. рис.):

1. Катушка
2. Сердечник
3. Якорь
4. Группа контактов

Катушка (в зависимости от вида реле) может быть рассчитана либо на переменное напряжение, либо на постоянное.

Когда на катушку подаётся напряжение, то вокруг неё создаётся магнитное поле, которое намагничивает сердечник. Тогда якорь притягивается к сердечнику и сдвигает группу контактов. В зависимости от конструкции контакты либо размыкаются, либо замыкаются, либо переключаются. В группе контактов могут быть как нормально замкнутые, так и нормально разомкнутые контакты. И контактов может быть и два, и три и более.

Когда напряжение с катушки снимается, то и контакты возвращаются в исходное положение.

Нормально замкнутый (нормально закрытый) контакт - это контакт, который замкнут при отсутствии напряжения на катушке. Нормально размокнутый (нормально открытый), соответственно, разомкнут, когда напряжения на катушке нет, и замыкается, когда напряжение на катушку подаётся. На рисунке показан нормально разомкнутый контакт.

На схемах и в описаниях реле обычно используются сокращения: НО - нормально открытый (нормально разомкнутый), НЗ - нормально закрытый (нормально замкнутый).

Основные характеристики реле

Чтобы использовать реле в своих устройствах (не обязательно на микроконтроллерах), вам нужно знать, подойдёт оно для ваших целей или нет. Для этого надо знать характеристики реле. Основные характеристики:

1. Вид напряжения катушки (переменное или постоянное). Для подключения непосредственно к микроконтроллеру либо через транзистор можно использовать только реле постоянного тока (контакты реле, разумеется, могут управлять и переменным, и постоянным током).
2. Напряжение катушки (то есть какое напряжение надо подать на катушку, чтобы якорь надёжно примагнитился к сердечнику).
3. Ток потребления катушки.
4. Номинальный ток контактов (то есть ток через контакты реле, при котором они будут работать без повреждения в течение длительного времени).
5. Время срабатывания реле. То есть сколько времени требуется на примагничивание якоря.
6. Время отпускания реле. То есть сколько времени требуется для отмагничивания (отпускания) якоря.

Последние два параметра обычно не принимаются во внимание. Однако в тех случаях, когда требуется определённое быстродействие (например, срабатывание каких-то устройств защиты), то эти значения надо учитывать.

Ну вот наконец мы добрались до подключения нагрузки к микроконтроллеру через реле. Предлагаю вспомнить . Если вы помните, то подключить нагрузку к выходу микроконтроллера можно двумя способами: с общим плюсом и с общим минусом.

Если мы хотим подключить реле к микроконтроллеру напрямую, то способ с общим минусом, скорее всего, отпадает, потому что при таком способе микроконтроллер способен управлять очень слабой нагрузкой. А почти все реле потребляют несколько десятков или даже сотен мА.

Да и способ с общим минусом тоже в большинстве случаев не позволит подключить реле напрямую к микроконтроллеру по той же причине (при таком способе микроконтроллер обычно может обеспечить на выходе 15-20 мА, что будет недостаточно для большинства реле).

Малым током потребления обычно обладают герконовые реле. Однако они и коммутировать могут только небольшие токи.

Но тут есть одна хитрость. Дело в том, что чем выше напряжение катушки реле, тем меньше ток потребления. Поэтому, если в вашем устройстве есть источник питания, например, на 24 В и выше, то вы вполне сможете подобрать реле с приемлемым током потребления.

Например, реле Finder 32-й серии при напряжении катушки 24В потребляет всего 8,3 мА.

В этом случае (когда у вас есть два источника напряжения) подключить реле можно примерно так:

Как подключить реле к транзистору

Однако использовать дополнительный источник питания в устройстве в большинстве с лучаев возможности нет. Поэтому обычно реле подключают к выходу микроконтроллера . Как это делать, я уже рассказывал. Поэтому повторяться не буду.

Меры безопасности

Реле обычно используют, когда требуется управлять мощной нагрузкой и/или высоким напряжением.

Поэтому здесь надо помнить о мерах безопасности. Желательно разделять слаботочную низковольтную цепь и цепь высокого напряжения. Например, устанавливать реле в отдельном корпусе или в отдельном изолированном отсеке корпуса, чтобы при наладке устройства случайно не коснуться контактов с высоким напряжением.

Кроме того есть опасность вывести из строя выход микроконтроллера или дополнительный транзистор.

Дело в том, что катушка реле - это индуктивная нагрузка со всеми вытекающими из этого последствиями.

И здесь есть два риска:

1. В момент подачи напряжения на катушку индуктивное сопротивление катушки равно нулю, поэтому будет кратковременный бросок тока, значительно превышающий номинальный ток. Но большинство выходных транзисторов этот бросок выдерживают, так что об этом можно не думать, но знать и понимать это надо.
2. В момент снятия напряжения (в момент разрыва цепи питания катушки) возникает ЭДС самоиндкуции, которая может вывести из строя выходной транзистор микроконтроллера и/или дополнительный транзистор, к которому подключена катушка реле. Чтобы избежать этого, всегда необходимо параллельно с катушкой включать защитный диод (см. рис.). Почему так происходит, рассказывать не буду. Кому интересно, вспоминайте или изучайте электротехнику .

ВАЖНО!
Обратите внимание на включение диода. Он должен включаться именно так, а не наоборот, как думают некоторые.

Многие начинающие радиолюбители начинают знакомится с электроникой с простых схем, которых полно в интернете. Но если это устройство управления, в котором к схеме подключается какой-то исполнительный механизм, а в схеме способ подключения не указан, то тогда новичку приходится туго. Данная статья была написана с целью помощи начинающим радиолюбителям разобраться с этой проблемой.

Нагрузки постоянного тока.

Первый способ - подключение через резистор

Самый простой способ - подходит для несильноточных нагрузок - светодиодов.

Rгас = (U/ I) – Rн

Где U - напряжение питания(в Вольтах), I - допустимый ток через схему(в Амперах), Rн - сопротивление нагрузки(в Омах)

Второй способ - Биполярный транзистор

Если потребляемый ток нагрузки больше, чем максимальный отдаваемый ток Вашего устройства, то резистор тут не поможет. Нужно увеличить ток. Для этого обычно испоьзуют транзисторы.

В данной схеме применен n-p-n транзистор, включенный по схеме ОЭ. При таком способе можно подключать нагрузку с большим напряжением питания, чем питание Вашего устройства. Резистор R1 нужен для ограничения тока, протекающего через транзистор, обычно ставится на 1-10 кОм.

Третий способ - полевой транзистор

Для управления нагрузкой, ток которой составляет десятки ампер(особо мощные электродвигатели, лампы и тд) применяется полевой транзистор.

Резистор R1 ограничивает ток через затвор. Так как полевой транзистор управляется малыми токами и если выход Вашего устройства, к которому подключен затвор, окажется в высокоимпедансном Z-состоянии полевик начнет открываться-закрываться непредсказуемо, вылавливая помехи. Для устранения такого поведения выход устройства «прижимается» к земле резистором 10кОм.
У полевого транзистора есть особенность - его медлительность. При превышении допустимой частоты он станет перегреватся.

Переменный ток.

Первый способ - реле.

Самым простым способом управления нагрузкой переменного тока является реле. Реле, само по себе является сильноточной нагрузкой - нужно включать через биполярный или полевой транзистор.

Недостатки реле - его медлительность и механический износ деталей.

Новые статьи

● Проект 12: Управляем реле через транзистор

В этом эксперименте мы познакомимся с реле, с помощью которого с Arduino можно управлять мощной нагрузкой не только постоянного, но и переменного тока.

Необходимые компоненты:

Реле - это электрически управляемый, механический переключатель, имеет две раздельные цепи: цепь управления, представленная контактами (А1, А2), и управляемая цепь, контакты 1, 2, 3 (см. рис. 12.1).

Цепи никак не связаны между собой. Между контактами А1 и А2 установлен металлический сердечник, при протекании тока по которому к нему притягивается подвижный якорь (2). Контакты же 1 и 3 неподвижны. Стоит отметить, что якорь подпружинен, и пока мы не пропустим ток через сердечник, якорь будет прижатым к контакту 3. При подаче тока, как уже говорилось, сердечник превращается в электромагнит и притягивается к контакту 1. При обесточивании пружина снова возвращает якорь к контакту 3.

При подключении реле к Arduino контакт микроконтроллера не может обеспечить мощность, необходимую для нормальной работы катушки. Поэтому следует усилить ток - поставить транзистор. Для усиления удобнее применять n-p-n-транзистор, включенный по схеме ОЭ (см. рис. 12.2). При таком способе можно подключать нагрузку с большим напряжением питания, чем питание микроконтроллера.
Резистор на базе - ограничительный. Может варьироваться в широких пределах (1-10 кОм), в любом случае, транзистор будет работать в режиме насыщения. В качестве транзистора может быть любой n-p-n-транзистор. Коэффициент усиления практически не имеет значения. Выбирается транзистор по току коллектора (нужный нам ток) и напряжению коллектор-эмиттер (напряжение, которым запитывается нагрузка).

Для включения реле, подключенного по схеме с ОЭ, на вывод Arduino необходимо подать 1, для выключения - 0. Подключим реле к плате Arduino по схеме на рис. 12.3 и напишем скетч управления реле. Каждые 5 секунд реле будет переключаться (включаться/выключаться). При переключении реле раздается характерный щелчок.
Содержимое скетча показано в листинге 12.1.

int relayPin = 10 ; // подключение к выводу D10 Arduino void setup () { pinMode(relayPin, OUTPUT); // настроить вывод как выход (OUTPUT) } // функция выполняется циклически бесконечное число раз void loop () { digitalWrite(relayPin, HIGH); // включить реле delay(5000 ); digitalWrite(relayPin, LOW); // выключить реле delay(5000 ); }

Порядок подключения:

1. Подключаем элементы к плате Arduino по схеме на рис. 12.3.
2. Загружаем в плату Arduino скетч из листинга 12.1.
3. Каждые 5 секунд происходит щелчок переключения реле если подключить контакты реле, например в разрыв подключенной к сети 220 В патрона с лампой накаливания, то увидим процесс включения/выключения лампы накаливания раз в 5 секунд (рис. 12.3).

В этой статье рассматриваются важные драйверы и правильные схемы, необходимые для безопасного подключения внешних устройств к вводу/выводу MCU (микроконтроллер, англ. - Microcontroller Unit, MCU).

Введение

Как только у вас возникнет идея для проекта, очень заманчиво перейти прямо к подключению Arduino к схемам и устройствам, таким как светодиоды, реле и динамики. Однако делать это без правильной схемы может оказаться фатальным для вашего микроконтроллера.

Многие устройства ввода/вывода потребляют много тока (> 100 мА), которые большинство микроконтроллеров не могут обеспечить в безопасном режиме, а когда они пытаются обеспечить такое количество тока, они часто ломаются. Здесь нам на помощь приходят специальные схемы, которые называются «драйверы» (англ. - drivers). Драйверы - это схемы, которые могут принимать небольшой слабый сигнал от микроконтроллера, а затем использовать этот сигнал для управления каким-либо энергопотребляющим устройством.

Для правильной работы микроконтроллеров с внешними устройствами иногда требуются специальные схемы. Эти внешние устройства включают:

• Цепи драйвера
• Схемы защиты входа
• Схемы защиты выхода
• Цепи изоляции

Итак, давайте посмотрим на некоторые из этих схем и на то как они работают!

Простой светодиодный (LED) драйвер

Эта простая схема удобна для управления светодиодами с высоким энергопотреблением с помощью микроконтроллеров, где выход микроконтроллера подключен к «IN».

Когда микроконтроллер выводит 0, транзистор Q1 отключается, а также светодиод D1. Когда микроконтроллер выводит 1, транзистор включается, и поэтому D1 также включается. Значение R1 зависит от выходного напряжения вашего микроконтроллера, но значения между 1KΩ ~ 10KΩ часто работают хорошо. Значение R2 зависит от размера нагрузки, которую вы питаете, и эта схема подходит для питания устройств до 1А и не более.

Простой релейный драйвер

Устройствам, которые потребляют более 1 А тока и будут включаться и выключаться раз в несколько секунд, лучше подойдут реле.

Хотя реле достаточно просты (небольшой электромагнит, который привлекает металлический рычаг для замыкания схемы), они не могут управляться непосредственно микроконтроллером.

Для обычных реле требуются токи около 60 мА ~ 100 мА, что слишком много для большинства микроконтроллеров, поэтому реле требуют схему с использованием управления транзистором (как показано выше). Однако вместо резистора, который необходимо использовать для ограничения тока, требуется обратный диод защиты (D1).

Когда микроконтроллер (подключенный к «IN»), выдает 1, тогда включается транзистор Q1. Это включает реле RL1, и в результате загорается лампа (R2). Если микроконтроллер выводит 0, то транзистор Q1 отключается, что отключает реле, и поэтому лампа выключается.

Реле очень часто встречаются в схемах, требующих переключения цепей электропитания переменного тока, и доступны для переключения 230В и 13А (подходит для тостеров, чайников, компьютеров и пылесосов).

Кнопки

При подключении кнопки к микроконтроллеру могут иногда возникнуть простые проблемы. Первая (и самая раздражающая проблема) возникает в виде отскока, когда кнопка посылает много сигналов при нажатии и отпускании.

Кнопки обычно представляют собой кусок металла, который при контакте соприкасается с каким-то другим металлом, но когда кнопки вступают в контакт, они часто отскакивают (хотя они чаще всего крошечные). Этот отскок означает, что кнопка соединяется и отключается несколько раз, прежде чем зафиксироваться, а в итоге - результат, который ненадолго выглядит случайным. Поскольку микроконтроллеры очень быстрые, они могут поймать этот отскок и выполнять события нажатия кнопки несколько раз. Чтобы избавиться от отскока, можно использовать схему ниже. Схема, показанная здесь, представляет собой очень тривиальную схему, которая хорошо работает и проста в построении.

Защита входа: напряжение

Не все устройства ввода будут дружественными к вашему микроконтроллеру, а некоторые источники могут даже нанести ущерб. Если у вас есть источники входного сигнала, которые поступают из окружающей среды (например, датчик напряжения, датчик дождя, человеческий контакт) или источники входного сигнала, которые могут вывести напряжения, превышающие то, что может обрабатывать микроконтроллер (например, цепи индуктора), тогда вам потребуется включать некоторую защиту ввода напряжения. Схема, показанная ниже, использует 5V стабилитронов для ограничения входных напряжений, так что входное напряжение не может превышать 5 В и ниже 0 В. Резистор 100R используется для предотвращения слишком большого тока, когда диод Зенера захватывает входное напряжение.

Защита ввода/вывода: ток

Входы и выходы микроконтроллеров иногда могут быть защищены от слишком большого тока. Если устройство, такое как светодиод, потребляет меньше тока, чем максимальный выходной ток от микроконтроллера, тогда светодиод может быть напрямую подключен к микроконтроллеру. Тем не менее, последовательный резистор будет по-прежнему необходим, как показано ниже, а общие значения последовательных резисторов для светодиодов включают в себя 470 Ом, 1 кОм и даже 2,2 кОм. Серии резисторов также полезны для входных контактов в редких случаях, когда неисправны контакты микроконтроллеров или входное устройство испытывает всплеск выходного тока.

Преобразователи уровня

В прошлом большинство сигналов в цепи работало бы на одном и том же напряжении, и это напряжение обычно составляло 5 В. Однако с увеличением технологических возможностей современной электроники снижается напряжение на новых устройствах. Из-за этого многие схемы включают смешанные сигналы, в которых более старые части могут работать при напряжении 5 В, в то время как более новые части работают при напряжении 3,3 В.

Хотя многие радиолюбители предпочли бы использовать один уровень напряжения, правда состоит в том, что более старые 5-вольтовые части могут не работать на 3,3 В, в то время как более новые устройства 3,3 В не могут работать при более высоком напряжении 5 В. Если устройство 5V и устройство 3.3V хотят общаться, то требуется сдвиг уровня, который преобразует один сигнал напряжения в другой. Некоторые устройства с напряжением 3,3 В имеют 5 В "толерантность", что означает, что сигнал 5 В может напрямую подключаться к сигналу 3,3 В, но большинство устройств 5 В не могут переносить 3.3 В. Чтобы охватить оба варианта, приведенные ниже схемы показывают преобразование от 5 до 3,3 В и наоборот.

Изоляция: Оптоизолятор

Иногда схема, с которой должен взаимодействовать микроконтроллер, может представлять слишком много проблем, таких как электростатический разряд (ESD), широкие колебания напряжения и непредсказуемость. В таких ситуациях мы можем использовать устройство, называемое оптоизолятором, которое позволяет двум цепям общаться, не будучи физически соединенными друг с другом с помощью проводов.

Оптоизоляторы взаимодействуют с использованием света, когда одна цепь излучает свет, который затем обнаруживается другой схемой. Это означает, что оптоизоляторы не используются для аналоговой связи (например, уровни напряжения), но вместо этого для цифровой связи, где выход включен или выключен. Оптоизоляторы могут использоваться как для входов, так и для выходов на микроконтроллеры, где входы или выходы могут быть потенциально опасны для микроконтроллера. Интересно, что оптоизоляторы также могут использоваться для смещения уровня!

Gunther Kraut, Германия

Логическая «1», логический «0» и высокий импеданс. Трем состояниям выхода соответствуют три состояния двигателя: «вперед», «назад» и «стоп»

Для управления двумя независимыми нагрузками, такими, скажем, как реле, обычно требуются два порта ввода/вывода микроконтроллера. При этом вы имеете возможность включить два реле, включить одно и выключить другое, или выключить оба. Если же включать два реле одновременно не требуется, управлять оставшимися тремя состояниями можно с помощью одного вывода микроконтроллера. При этом используется высокоимпедансное состояние выхода.

Этой схеме можно найти применение, например, при управлении электродвигателями. Направление вращения мотора зависит от того, какая из двух его фаз выбрана. Для коммутации фаз можно использовать как классические электромеханические, так и твердотельные МОП реле. В любом из вариантов при размыкании обоих реле двигатель останавливается.

Для управления электромеханическими реле используется схема, изображенная на Рисунке 1. При логической «1» на выходе микроконтроллера транзистор Q 1 включает реле REL 1 , что позволяет мотору вращаться в прямом направлении. Когда выход переключается в «0», отрывается транзистор Q 3 . Это приводит к замыканию контактов REL 2 , и мотор начинает вращаться в противоположном направлении. Если порт микроконтроллера в высокоимпедансном состоянии, транзисторы Q 1 , Q 2 и Q 3 закрываются, так как напряжение 1 В на базе Q 2 меньше, чем сумма пороговых напряжений база-эмиттерных переходов Q 1 и Q 2 и падения напряжения на диоде D 1 . Оба реле выключаются, и мотор останавливается. Напряжение 1 В можно получить с помощью делителя напряжения или эмиттерного повторителя. Диоды D 2 и D 3 служат для защиты коллекторов Q 1 и Q 2 от бросков напряжения, возникающих при выключении реле. В схеме можно использовать практически любые маломощные NPN и PNP транзисторы. Выбор D 1 также непринципиален.

Схема для управления МОП реле получается проще, поскольку светодиоды можно подключить прямо к выходу практически любого микроконтроллера (Рисунок 2). Логическая «1» включает светодиод реле S 1 , а логический «0» - S 2 , открывая соответствующие выходные симисторы. Когда порт переходит в высокоимпедансное состояние, оба светодиода выключаются, поскольку постоянное напряжение 1.2 В меньше суммы пороговых напряжений двух светодиодов. Варисторы R 3 , R 5 и демпфирующая цепь C 1 , R 4 , C 2 , R 6 служат для защиты МОП реле. Параметры этих элементов выбирают в соответствии с нагрузкой.