Що потрібно для того, щоб стати професійним розробником програм для мікроконтролерів і вийти на такий рівень майстерності, який дозволить легко знайти і влаштуватися на роботу з високою зарплатою (середня зарплата програміста мікроконтролерів по Росії на початок 2017 року становить 80 000 рублів). ...

Продовжуємо розповідь про підключення потужного навантаження до мікроконтролера. Ми вже знаємо, як підключити до мікроконтролера та . Тепер настала черга розібратися з електромагнітним реле.

На перший погляд підключення реле – найпростіше. Однак це оманлива простота. Тому що, по-перше, більшість реле споживають струм значно більший, ніж може забезпечити на виході мікроконтролер. А по-друге, електромагнітне реле – це індуктивне навантаження, яке має свої особливості (про це далі). Саме тому новачки часто виводять виходи мікроконтролера з ладу, намагаючись підключити до них реле.

Як підключити реле до мікроконтролера і уникнути при цьому неприємностей трохи пізніше. А поки що для самих початківців дуже коротко розповім

Електромагнітне реле - це спеціальний пристрій, що складається, як мінімум, із чотирьох основних елементів (див. рис.):

1. Котушка
2. Сердечник
3. Якір
4. Група контактів

Котушка (залежно від виду реле) може бути розрахована або змінну напругу, або постійне.

Коли на котушку подається напруга, навколо неї створюється магнітне поле, яке намагнічує сердечник. Тоді якір притягається до осердя і зсуває групу контактів. Залежно від конструкції контакти або розмикаються, або замикаються або перемикаються. У групі контактів може бути як нормально замкнуті, і нормально розімкнені контакти. І контактів може бути і два, і три, і більше.

Коли напруга з котушки знімається, то контакти повертаються у вихідне положення.

Нормально замкнутий (нормально закритий) контакт – це контакт, який замкнений за відсутності напруги на котушці. Нормально розмокнутий (нормально відкритий), відповідно, розімкнуто, коли напруги на котушці немає, і замикається, коли напруга на котушку подається. На малюнку показано нормально розімкнений контакт.

На схемах та описах реле зазвичай використовуються скорочення: АЛЕ - нормально відкритий (нормально розімкнений), НЗ - нормально закритий (нормально замкнутий).

Основні характеристики реле

Щоб використовувати реле у своїх пристроях (не обов'язково на мікроконтролерах), вам потрібно знати, чи підійде воно для ваших цілей чи ні. Для цього слід знати характеристики реле. Основні характеристики:

1. Вид напруги котушки (змінне чи постійне). Для підключення безпосередньо до мікроконтролера або через транзистор можна використовувати тільки реле постійного струму (контакти реле, зрозуміло, можуть керувати змінним і постійним струмом).
2. Напруга котушки (тобто яку напругу треба подати на котушку, щоб якір надійно примагнітився до сердечника).
3. Струм споживання котушки.
4. Номінальний струм контактів (тобто струм через контакти реле, у якому вони працюватимуть без пошкодження протягом багато часу).
5. Час спрацьовування реле. Тобто скільки часу потрібно на примагнічування якоря.
6. Час відпускання реле. Тобто, скільки часу потрібно для відмагнічування (відпускання) якоря.

Останні два параметри зазвичай не беруться до уваги. Однак у випадках, коли потрібна певна швидкодія (наприклад, спрацьовування якихось пристроїв захисту), ці значення треба враховувати.

Ну, ось нарешті ми дісталися до підключення навантаження до мікроконтролера через реле. Пропоную згадати. Якщо ви пам'ятаєте, то підключити навантаження до виходу мікроконтролера можна двома способами: із загальним плюсом та із загальним мінусом.

Якщо ми хочемо підключити реле до мікроконтролера безпосередньо, то спосіб із загальним мінусом, швидше за все, відпадає, тому що при такому способі мікроконтролер здатний керувати дуже слабким навантаженням. А майже всі реле споживають кілька десятків або навіть сотень ма.

Та й спосіб із загальним мінусом теж у більшості випадків не дозволить підключити реле безпосередньо до мікроконтролера з тієї ж причини (при такому способі мікроконтролер зазвичай може забезпечити на виході 15-20 мА, що буде недостатньо для більшості реле).

Малий струм споживання зазвичай мають герконові реле. Однак вони і комутувати можуть лише невеликі струми.

Але тут є одна хитрість. Справа в тому, що чим вище напруга котушки реле, тим менше струм споживання. Тому, якщо у вашому пристрої є джерело живлення, наприклад, на 24 і вище, то ви цілком зможете підібрати реле з прийнятним струмом споживання.

Наприклад, реле Finder 32 серії при напрузі котушки 24В споживає всього 8,3 мА.

У цьому випадку (коли у вас є два джерела напруги) підключити реле можна приблизно так:

Як підключити реле до транзистора

Однак використовувати додаткове джерело живлення у пристрої в більшості з променів можливості немає. Тому зазвичай реле підключають до виходу мікроконтролера. Як це робити, я вже казав. Тому не буду повторюватися.

Заходи безпеки

Реле зазвичай використовують, коли потрібно керувати потужним навантаженням та/або високою напругою.

Тож тут треба пам'ятати про заходи безпеки. Бажано розділяти слаботочний низьковольтний ланцюг та ланцюг високої напруги. Наприклад, встановлювати реле в окремому корпусі або окремому ізольованому відсіку корпусу, щоб при налагодженні пристрою випадково не торкнутися контактів з високою напругою.

Крім того, є небезпека вивести з ладу вихід мікроконтролера або додатковий транзистор.

Справа в тому, що котушка реле - це індуктивне навантаження з усіма наслідками, що з цього випливають.

І тут є два ризики:

1. У момент подачі напруги на котушку індуктивний опір котушки дорівнює нулю, тому буде короткочасний кидок струму, що значно перевищує номінальний струм. Але більшість вихідних транзисторів цей кидок витримують, тому про це можна не думати, але знати і розуміти це треба.
2. У момент зняття напруги (у момент розриву ланцюга живлення котушки) виникає ЕРС самоіндкуції, яка може вивести з ладу вихідний транзистор мікроконтролера та/або додатковий транзистор, якого підключена котушка реле. Щоб уникнути цього, завжди необхідно паралельно з котушкою включати захисний діод (див. мал.). Чому так відбувається, не розповідатиму. Кому цікаво, згадуйте чи вивчайте електротехніку.

ВАЖЛИВО!
Зверніть увагу на включення діода. Він повинен включатися саме так, а не навпаки, як думають деякі.

Багато радіоаматорів-початківців починають знайомитися з електронікою з простих схем, яких повно в інтернеті. Але якщо це пристрій управління, в якому до схеми підключається якийсь виконавчий механізм, а у схемі спосіб підключення не вказаний, то новачкові доводиться туго. Ця стаття була написана з метою допомоги радіоаматорам-початківцям розібратися з цією проблемою.

Навантаження постійного струму.

Перший спосіб – підключення через резистор

Найпростіший спосіб – підходить для несильноточних навантажень – світлодіодів.

Rгас = (U/I) - Rн

Де U – напруга живлення (у Вольтах), I – допустимий струм через схему (в Амперах), Rн – опір навантаження (в Омах)

Другий спосіб – Біполярний транзистор

Якщо споживаний струм навантаження більше, ніж максимальний струм Вашого пристрою, то резистор тут не допоможе. Потрібно збільшити струм. Для цього зазвичай використовують транзистори.

У цій схемі застосований n-p-n транзистор, включений за схемою ОЕ. При такому способі можна підключати навантаження з більшою напругою живлення, ніж живлення Вашого пристрою. Резистор R1 потрібен обмеження струму, що протікає через транзистор, зазвичай ставиться на 1-10 кОм.

Третій спосіб – польовий транзистор

Для управління навантаженням, струм якого становить десятки ампер (особливо потужні електродвигуни, лампи і т.д.) застосовується польовий транзистор.

Резистор R1 обмежує струм через затвор. Так як польовий транзистор управляється малими струмами і якщо вихід Вашого пристрою, до якого підключений затвор, опиниться у високоімпедансному Z-стані, полівик почне відкриватися-закриватися непередбачено, виловлюючи перешкоди. Для усунення такої поведінки вихід пристрою притискається до землі резистором 10кОм.
У польового транзистора є особливість – його повільність. При перевищенні допустимої частоти він перегріватиметься.

Змінний струм.

Перший спосіб – реле.

Найпростішим способом керування навантаженням змінного струму є реле. Реле само по собі є сильноточним навантаженням - потрібно включати через біполярний або польовий транзистор.

Недоліки реле - його повільність і механічне зношування деталей.

Нові статті

● Проект 12: Керуємо реле через транзистор

У цьому експерименті ми познайомимося з реле, за допомогою якого з Arduino можна керувати потужним навантаженням як постійного, а й змінного струму.

Необхідні компоненти:

Реле - це електрично керований, механічний перемикач, має два роздільні ланцюги: ланцюг управління, представлений контактами (А1, А2), і керований ланцюг, контакти 1, 2, 3 (див. рис. 12.1).

Ланцюги ніяк не пов'язані між собою. Між контактами А1 і А2 встановлений металевий сердечник, при протіканні струму якого до нього притягується рухомий якір (2). Контакти ж 1 та 3 нерухомі. Якір підпружинний, і поки ми не пропустимо струм через сердечник, якір буде притиснутим до контакту 3. При подачі струму, як уже говорилося, сердечник перетворюється на електромагніт і притягається до контакту 1. При знеструмленні пружина знову повертає якір до контакту 3 .

При підключенні реле Arduino контакт мікроконтролера не може забезпечити потужність, необхідну для нормальної роботи котушки. Тому слід посилити струм – поставити транзистор. Для посилення зручніше застосовувати n-p-n-транзистор, що включений за схемою ОЕ (див. рис. 12.2). При такому способі можна підключати навантаження з більшою напругою живлення, ніж живлення мікроконтролера.
Резистор з урахуванням - обмежувальний. Може змінюватись в широких межах (1-10 кОм), у будь-якому випадку, транзистор буде працювати в режимі насичення. Як транзистор може бути будь-який n-p-n-транзистор. Коефіцієнт посилення мало значення. Вибирається транзистор струмом колектора (потрібний нам струм) і напругою колектор-емітер (напруга, яким запитується навантаження).

Для включення реле, підключеного за схемою з ОЕ, висновок Arduino необхідно подати 1, для вимикання - 0. Підключимо реле до плати Arduino за схемою на рис. 12.3 та напишемо скетч управління реле. Кожні 5 секунд реле буде перемикатися (вмикатися/вимикатися). При перемиканні реле лунає характерне клацання.
Вміст скетчу показаний у лістингу 12.1.

int relayPin = 10; // підключення до висновку D10 Arduino void setup ()(pinMode (relayPin, OUTPUT); // Налаштувати висновок як вихід (OUTPUT) } // функція виконується циклічно нескінченне число разів void loop ()(digitalWrite(relayPin, HIGH); // включити реле delay(5000); digitalWrite(relayPin, LOW); // Вимкнути реле delay(5000); )

Порядок підключення:

1. Підключаємо елементи до плати Arduino за схемою на рис. 12.3.
2. Завантажуємо до плати Arduino скетч з лістингу 12.1.
3. Кожні 5 секунд відбувається клацання перемикання реле якщо підключити контакти реле, наприклад, у розрив підключеної до мережі 220 В патрона з лампою розжарювання, то побачимо процес увімкнення/вимкнення лампи розжарювання раз на 5 секунд (рис. 12.3).

У цій статті розглядаються важливі драйвери та правильні схеми, необхідні для безпечного підключення зовнішніх пристроїв до вводу/виводу MCU (Мікроконтролер, англ. - Microcontroller Unit, MCU).

Вступ

Як тільки у вас виникне ідея для проекту, дуже привабливо перейти прямо до підключення Arduino до схем та пристроїв, таких як світлодіоди, реле та динаміки. Однак робити це без правильної схеми може виявитися фатальним для мікроконтролера.

Багато пристроїв введення/виводу споживають багато струму (> 100 мА), які більшість мікроконтролерів не можуть забезпечити в безпечному режимі, а коли вони намагаються забезпечити таку кількість струму, вони часто ламаються. Тут нам на допомогу приходять спеціальні схеми, які називаються «драйвери» (англ. – drivers). Драйвери - це схеми, які можуть приймати невеликий слабкий сигнал від мікроконтролера, а потім використовувати цей сигнал для керування будь-яким енергоспоживаючим пристроєм.

Для правильної роботи мікроконтролерів із зовнішніми пристроями іноді потрібні спеціальні схеми. Ці зовнішні пристрої включають:

• Ланцюги драйвера
• Схеми захисту входу
• Схеми захисту виходу
• Ланцюги ізоляції

Отже, давайте подивимося на деякі з цих схем і як вони працюють!

Простий світлодіодний (LED) драйвер

Ця проста схема зручна керувати світлодіодами з високим енергоспоживанням з допомогою мікроконтролерів, де вихід мікроконтролера підключений до «IN».

Коли мікроконтроллер виводить 0, транзистор Q1 відключається, і навіть світлодіод D1. Коли мікроконтроллер виводить 1, транзистор вмикається, і тому D1 також вмикається. Значення R1 залежить від вихідної напруги вашого мікроконтролера, але значення між 1KΩ ~ 10KΩ часто працюють добре. Значення R2 залежить від розміру навантаження, яке ви живите, і ця схема підходить для живлення пристроїв до 1А і більше.

Простий релейний драйвер

Пристроям, які споживають більше 1 А струму і включатимуться і вимикатимуться раз на кілька секунд, краще підійдуть реле.

Хоча реле досить прості (невеликий електромагніт, який приваблює металевий важіль для замикання схеми), вони можуть управлятися безпосередньо микроконтроллером.

Для звичайних реле потрібні струми близько 60 мА ~ 100 мА, що занадто багато більшості мікроконтролерів, тому реле вимагають схему з використанням управління транзистором (як показано вище). Однак, замість резистора, який необхідно використовувати для обмеження струму, потрібен зворотний діод захисту (D1).

Коли мікроконтролер (підключений до IN), видає 1, тоді включається транзистор Q1. Це включає реле RL1, і в результаті спалахує лампа (R2). Якщо мікроконтроллер виводить 0, то транзистор Q1 вимикається, що вимикає реле, і тому лампа вимикається.

Реле дуже часто зустрічаються в схемах, що вимагають перемикання ланцюгів електроживлення змінного струму, доступні для перемикання 230В і 13А (підходить для тостерів, чайників, комп'ютерів і пилососів).

Кнопки

При підключенні кнопки до мікроконтролера можуть виникнути прості проблеми. Перша (і найдратівливіша проблема) виникає у вигляді відскоку, коли кнопка посилає багато сигналів при натисканні та відпусканні.

Кнопки зазвичай є шматком металу, який при контакті стикається з якимось іншим металом, але коли кнопки вступають у контакт, вони часто відскакують (хоча вони найчастіше крихітні). Цей відскок означає, що кнопка з'єднується і відключається кілька разів, перш ніж зафіксуватись, а в результаті – результат, який ненадовго виглядає випадковим. Оскільки мікроконтролери дуже швидкі, вони можуть упіймати цей відскок і виконувати події натискання кнопки кілька разів. Щоб позбавитися відскоку, можна використовувати схему нижче. Схема, показана тут, є дуже тривіальною схемою, яка добре працює і проста в побудові.

Захист входу: напруга

Не всі пристрої введення будуть дружніми до вашого мікроконтролера, а деякі джерела можуть навіть завдати шкоди. Якщо у вас є джерела вхідного сигналу, що надходять з навколишнього середовища (наприклад, датчик напруги, датчик дощу, людський контакт) або джерела вхідного сигналу, які можуть вивести напруги, що перевищують те, що може обробляти мікроконтролер (наприклад, ланцюги індуктора), тоді Вам потрібно буде включати певний захист введення напруги. Схема, показана нижче, використовує 5V стабілітронів для обмеження вхідної напруги, так що вхідна напруга не може перевищувати 5 і нижче 0 В. Резистор 100R використовується для запобігання занадто великого струму, коли діод Зенера захоплює вхідну напругу.

Захист введення/виводу: струм

Входи та виходи мікроконтролерів іноді можуть бути захищені від надто великого струму. Якщо пристрій, такий як світлодіод, споживає менше струму, ніж максимальний вихідний струм мікроконтролера, тоді світлодіод може бути безпосередньо підключений до мікроконтролера. Тим не менш, послідовний резистор буде, як і раніше, необхідний, як показано нижче, а загальні значення послідовних резисторів для світлодіодів включають 470 Ом, 1 кОм і навіть 2,2 кОм. Серії резисторів також корисні для вхідних контактів в окремих випадках, коли несправні контакти мікроконтролерів або вхідний пристрій відчуває сплеск вихідного струму.

Перетворювачі рівня

У минулому більшість сигналів в ланцюзі працювало б на тому самому напрузі, і це напруга зазвичай становило 5 В. Однак зі збільшенням технологічних можливостей сучасної електроніки знижується напруга на нових пристроях. Через це багато схем включають змішані сигнали, в яких більш старі частини можуть працювати при напрузі 5 В, в той час як нові частини працюють при напрузі 3,3 В.

Хоча багато радіоаматорів воліли б використовувати один рівень напруги, правда полягає в тому, що більш старі 5-вольтові частини можуть не працювати на 3,3 В, в той час як нові пристрої 3,3 В не можуть працювати при вищій напрузі. Якщо пристрій 5V і пристрій 3.3V хочуть спілкуватися, то потрібен зсув рівня, який перетворює один сигнал напруги на інший. Деякі пристрої з напругою 3,3 мають 5 "толерантність", що означає, що сигнал 5 може безпосередньо підключатися до сигналу 3,3, але більшість пристроїв 5 не можуть переносити 3.3 В. Щоб охопити обидва варіанти, наведені нижче схеми показують перетворення від 5 до 3,3 і навпаки.

Ізоляція: Оптоізолятор

Іноді схема, з якою повинен взаємодіяти мікроконтролер, може представляти дуже багато проблем, таких як електростатичний розряд (ESD), широкі коливання напруги та непередбачуваність. У таких ситуаціях ми можемо використовувати пристрій, званий оптоізолятор, який дозволяє двом ланцюгам спілкуватися, не будучи фізично з'єднаними один з одним за допомогою проводів.

Оптоізолятори взаємодіють з використанням світла, коли один ланцюг випромінює світло, яке потім виявляється іншою схемою. Це означає, що оптоізолятори не використовуються для аналогового зв'язку (наприклад, рівні напруги), але натомість для цифрового зв'язку, де вихід увімкнено або вимкнено. Оптоізолятори можуть використовуватися як для входів, так і для виходів мікроконтролери, де входи або виходи можуть бути потенційно небезпечні для мікроконтролера. Цікаво, що оптоізолятор також можуть використовуватися для зміщення рівня!

Gunther Kraut, Німеччина

Логічна «1», логічний «0» та високий імпеданс. Три стани виходу відповідають три стани двигуна: «вперед», «назад» і «стоп»

Для управління двома незалежними навантаженнями, такими, скажімо, як реле, зазвичай потрібні два порти введення/виводу мікроконтролера. При цьому ви можете включити два реле, включити одне і вимкнути інше, або вимкнути обидва. Якщо ж включати два реле одночасно не потрібно, керувати трьома станами, що залишилися, можна за допомогою одного виведення мікроконтролера. При цьому використовується високоімпедансний стан виходу.

Цієї схеми можна знайти застосування, наприклад, при керуванні електродвигунами. Напрямок обертання двигуна залежить від того, яка з двох його фаз обрана. Для комутації фаз можна використовувати як класичні електромеханічні, так і твердотілі МОП реле. У кожному варіанті при розмиканні обох реле двигун зупиняється.

Для керування електромеханічними реле використовується схема, зображена на Рисунку 1. При логічній «1» на виході мікроконтролера транзистор Q 1 включає реле REL 1 що дозволяє мотору обертатися в прямому напрямку. Коли вихід перемикається в 0, відривається транзистор Q 3 . Це призводить до замикання контактів REL 2 і мотор починає обертатися в протилежному напрямку. Якщо порт мікроконтролера у високоімпедансному стані, транзистори Q 1 , Q 2 і Q 3 закриваються, так як напруга 1 на базі Q 2 менше, ніж сума порогових напруг база-емітерних переходів Q 1 і Q 2 і падіння напруги на діоді D 1 . Обидва реле вимикаються, і двигун зупиняється. Напруга 1 можна отримати за допомогою дільника напруги або емітерного повторювача. Діоди D 2 і D 3 служать захисту колекторів Q 1 і Q 2 від кидків напруги, що виникають при вимкненні реле. У схемі можна використовувати практично будь-які малопотужні NPN та PNP транзистори. Вибір D 1 також непринциповий.

Схема управління МОП реле виходить простіше, оскільки світлодіоди можна підключити до виходу практично будь-якого мікроконтролера (Малюнок 2). Логічна «1» включає світлодіод реле S 1 , а логічний «0» - S 2 відкриваючи відповідні вихідні симістори. Коли порт переходить у високоімпедансний стан, обидва світлодіоди вимикаються, оскільки постійна напруга 1.2 менше суми порогових напруг двох світлодіодів. Варистор R 3 , R 5 і демпфуючий ланцюг C 1 , R 4 , C 2 , R 6 служать для захисту МОП реле. Параметри цих елементів вибирають відповідно до навантаження.