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.):
- Катушка
- Сердечник
- Якорь
- 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:
- 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).
- Напряжение катушки (то есть какое напряжение надо подать на катушку, чтобы якорь надёжно примагнитился к сердечнику).
- Ток потребления катушки.
- Номинальный ток контактов (то есть ток через контакты реле, при котором они будут работать без повреждения в течение длительного времени).
- Время срабатывания реле. То есть сколько времени требуется на примагничивание якоря.
- 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:
- 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.
- 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.
Как вы понимаете, мощную и/или высоковольтную нагрузку (такую как лампы накаливания, электродвигатели, электронагревательные элементы и т.п.) нельзя напрямую подключить к . Потому что выходы микроконтроллера:
- Не рассчитаны на работу с высоким напряжением.
- Не рассчитаны на управление мощной нагрузкой (нагрузкой, которая потребляет большой ток).
- Не имеют гальванической развязки (иногда это важно даже при управлении слаботочной нагрузкой).
Из этого следует, что для управления с помощью микроконтроллера мощной нагрузкой необходимо применять какие-то хитрые способы сопряжения выходов микроконтроллера с нагрузкой. Этих способов несколько:
- Подключение нагрузки через твёрдотельное реле.
Более подробно эти виды подключения будут рассмотрены в соответствующих статьях. А здесь я буду говорить только о достоинствах и недостатках этих способов.
Подключение нагрузки через оптрон
Итак, один из наиболее простых способов - это подключение через оптрон (фотосемистор, фототиристор и т.п.).
Этот способ подходит для управления активной нагрузкой, такой как лампы накаливания, электронагреватели и т.п. Его преимуществами являются наличие гальванической развязки, относительная простота подключения и дешевизна оптронов. Серьёзный недостаток, пожалуй, один. Но довольно существенный - при управлении индуктивной нагрузкой, такой как электродвигатели, симистор/тиристор оптрона может самопроизвольно открыться (без команды от микроконтроллера). Так что для такого случая придётся принимать дополнительные меры, усложняющие устройство на микроконтроллере .
Подключение нагрузки через транзистор
Тоже выполняется довольно просто. Стоимость обычных транзисторов тоже относительно невелика. Это плюс.
Минусы - можно управлять только нагрузкой постоянного тока (речь идёт о дешёвых биполярных транзисторах). Причём напряжение нагрузки тоже по возможности должно быть небольшим. Потому что высоковольтные транзисторы стоят уже не очень дёшево (а некоторые и очень дорого).
Ещё один недостаток - отсутствие гальванической развязки между нагрузкой и .
И, также как в случае с оптроном - надо хотя бы немного разбираться в электронике, чтобы подобрать правильный транзистор и рассчитать схему включения самого транзистора и дополнительных резисторов.
Подключение нагрузки через электромагнитное реле
Подключить электромагнитное реле проще простого. Но это только на первый взгляд. На самом деле тоже есть особенности, которые надо знать (расскажу о них в соответствующей статье). Иначе можно просто вывести из строя выход микроконтроллера.
Преимущества электромагнитного реле:
- Низкая цена.
- Можно управлять нагрузкой практически любой мощности и напряжения.
- Можно управлять нагрузкой как постоянного, так и переменного тока.
- Можно управлять как активной, так и индуктивной нагрузкой без каких-либо дополнительных ухищрений.
- Есть гальваническая развязка между выходом микроконтроллера и нагрузкой.
- Не требуется особых познаний в электронике, чтобы подобрать реле под нагрузку.
Недостатки:
- Необходимо принимать дополнительные меры для защиты выхода микроконтроллера.
- Относительно низкое быстродействие (реле переключается существенно медленнее, чем полупроводниковые приборы - иногда это важно).
- Большие габариты и вес. Хотя современные реле довольно миниатюрны, их размеры и вес всё-равно больше, чем размеры полупроводниковых приборов.
- Относительно низкий ресурс. Так как в реле имеются контакты, то ресурс реле ниже, чем у полупроводников. Из-за искрения контакты быстрее выходят из строя. Хотя, как показывает практика, качественные реле могут работать десятки лет без поломок.
Подключение нагрузки через твёрдотельное реле
Твёрдотельное реле - это полупроводниковый прибор, который объединяет в себе, например, фотосимистор и всю необходимую для его управления обвязку. То есть твёрдотельное реле можно просто подключить к выходу микроконтроллера, не заботясь о том, какое сопротивление должны иметь гасящие резисторы и т.п.
Однако использовать твёрдотельные реле сложнее, чем обычные реле. Потому как у твёрдотельных реле довольно много разных характеристик, в которых надо разбираться. Впрочем, изучить эту тему несложно.
Недостаток у твёрдотельного реле, пожалуй, один - это высокая цена. Твёрдотельное реле, как правило, стоит в 5...10 раз дороже обычного электромагнитного реле (то есть это сотни и тысячи рублей за штуку).
Выводы
Какой прибор в каких случаях использовать - определяется из задачи и условий эксплуатации устройства, которое вы проектируете. Здесь всё довольно непросто - придётся вам разбираться самим (я пока не готов всё это описывать))).
Если вы немного запутались и не можете выбрать, что же использовать в вашем устройстве, то совет могу дать такой:
- Для активной нагрузки постоянного тока низкого напряжения (до 50 В) используйте транзисторы.
- Для любых нагрузок переменного тока и для мощных высоковольтных нагрузок постоянного тока используйте электромагнитные реле.
- Ну а вообще думайте, что и как использовать, в зависимости от технических требований к устройству.
Если вы только начинаете разрабатывать устройства, то это вполне пригодный совет. Ну а когда наберётесь опыта, то уже сами сможете определять, какие и когда приборы использовать.
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.
Для индикации уровня сигнала или постоянного напряжения, тока частоиспользуют поликомпараторные микросхемы вроде AN6884, КА2284, ВА6124 или многие другие аналогичные. Такая микросхема представляет собой набор компараторов, с выходами на светодиоды, а так же измерительную схему и схему предварительного усиления, детектора.
На рисунке 1 показана типовая схема включения микросхем AN6884, КА2284, ВА6124. Деталей минимум, и получаем пятипороговый индикатор уровня. Светодиоды работают по принципу «градусника», то есть, если их расположить последовательно в линию и признать это все как непрерывную линию, то чем больше сигнал, тем длиннее линия (тем больше светодиодов горит).
Но, бывают случае, когда необходимо не только визуально определить уровень сигнала, но и предпринять какие-то меры, если уровень сигнала достиг некоторого уровня. Например, при зажигании светодиода HL5 нужно чтобы включилось электромагнитное реле и своими контактами включило некую нагрузку или устройство.
Схема подключения реле
На рисунке 2 показано как можно подключить обмотку реле. Но сначала обратите внимание на рисунок 1 - все светодиоды подключены к выходам микросхемы непосредственно, без каких-либо токоограничительных резисторов. Хотя, в литературе встречаются схемы и с токоограничительными резисторами.
На самом деле в токоограничительных резисторах, касательно микросхем AN6884, КА2284, ВА6124 и их аналогов, нет никакой необходимости, потому что внутри микросхемы, на каждом выходе есть схема ограничения тока. Поэтому, напряжение между выходом и положительной шиной питания не бывает больше прямого напряжения падения на светодиоде.
Рис. 1. Типовая схема включения микросхем AN6884, КА2284, ВА6124.
Рис. 2. Схема подключения реле к каналу индикатора сигнала.
Но такого небольшого напряжения недостаточно ни для обмотки реле, а зачастую и даже для открывания транзисторного ключа. Однако, повысить напряжение между выходом и шиной питания можно просто включением дополнительного токоограничительного резистора (R2 на рисунке 2). Благодаря ему напряжение на промежутке от выхода микросхемы до шины питания увеличивается. Изменяя сопротивление этого резистора можно выставить необходимое напряжение.
На рисунке 2 показана схема управления обмоткой реле - его включением, при включении светодиода HL5. При включении HL5 напряжение на выводе 1 относительно общего минуса падает, но относительно шины питания увеличивается. Достигает уровня, достаточного для открывания транзистора VT1. Он открывается, и вслед за ним открывается более мощный транзистор VT2. А в его коллекторной цепи включена обмотка реле К1.
Напряжение питания реле может отличаться от напряжения питания микросхемы. Точно таким же образом, можно соединить реле и с любым другим выходом микросхемы типа AN6884, КА2284, ВА6124, и даже сделать пять реле по числу выходов.
Затем это надо? Причин может быть множество. Например, при превышении уровня громкости нужно отключить источник звука, либо включить сигнализацию.
Или нужно реагировать на превышение тока в нагрузке. Или можно сделать переключатель, состоящий из переменного резистора и этой схемы. При вращении ручки переменного резистора будет меняться напряжение на входе микросхемы, а на её выходах будут включаться реле.
Снятие сигнала с индикатора
Если нужно управлять не реле, а каким-то цифровым устройством, например, при превышении некоего уровня сигнала подавать логическую единицу на вход микроконтроллера или сигнализатора, можно собрать схему, показанную на рисунке 3. Здесь также для примера взят вариант со светодиодом HL5, хотя, конечно, можно и с любого другого выхода микросхемы.
Рис.3. Схема получения логического сигнала с сегмента индикатора.
При зажигании HL5 напряжение на базе VT1 относительного его же эмиттера увеличивается, транзистор открывается и на его коллекторе напряжение увеличивается до уровня логической единицы, соответственно напряжению питания микросхемы.
Рис. 4. Подключение с опто-развязкой.
Ну и последний вариант, - использовать оптопару. Можно любую оптопару, как с мощным симистором для управления каким-то нагревателем (так называемое, «твердотельное реле»), так и маломощную транзисторную, для передачи команды на другую схему.
В любом случае, два варианта, либо светодиод оптопары включить последовательно индикаторному светодиоду, как показано на рисунке 4, либо вместо него, как на рисунке не показано, но можно догадаться, но только если в индикации нет никакой необходимости.
Каравкин В. РК-2016-04.
