Многие устройства автоматики оснащаются реле, а вот как ими можно осуществлять управление разберемся на примере нескольких простых схем в том числе и одной на микроконтроллере

Вариант 1: Это простой одноканальный релейный драйвер, используемый для разнообразных радиолюбительских проектов и не только. Конструкцию можно использовать для переключения мощных потребителей, при этом она сама управляется слабым напряжением и током.

Вариант 2:

Работа: при подаче напряжения питания емкость С1 заряжается через сопротивление R1 и замкнутые контакты К1.1 практически до уровня напряжения питания. При нажатии на S1 через её замкнутые контакты, через K1.1 и R1 напряжение поступает на катушку К1, и последнее срабатывает. Реле К1.1 замыкает свои фронтовые контакты и питание на обмотку идет через резистор R1. На время переключения контактов, питание катушки происходит от емкости С1.

После замыкания фронтовых контактов, конденсатор С1 разряжается через сопротивление R2. При очередном нажатии на S1, происходит заряд С1 из-за чего напряжение на катушке падает и происходит размыкание фронтовых и замыкание тыловых контактов. Пассивные компоненты R1 и C1 составляют цепь с постоянной времени в 150 миллисекунд.

Вариант 3:

Схема управления достаточно проста и построена на самом реле и одном биполярном транзисторе. При первом нажатии на кнопку VT1 отпирается разрядным током конденсатора С1, устройство срабатывает. Конденсатор отсоединяется от источника питания и, если отпустить кнопку начинает быстро разряжаться через диод и сопротивление. Если теперь нажать на кнопку второй раз, то транзистор закрывается и отключает реле. Так происходит управление устройствами автоматики в этом варианте.

Если появляется необходимость организовать с помощью микроконтроллера управление электромагнитным устройством можно собрать следующую радиолюбительскую разработку интерфейса микроконтроллер - реле с гальванической развязкой.

Основа проекта микросхема CNY17-1, которая представляет собой типовую оптопару, состоящую из инфракрасного светодиода и фототранзистора. Устройство способно передавать информацию в виде сигналов при сохранении изоляции между входом и выходом. Взаимодействие микроконтроллера, и реализация управления с такой схемой построено довольно просто. Вход может быть подключен к выбранной ножке МК через входную клемму. Однако, нужно обязательно учитывать полярность. Состояние уровня логической 1 (уровень 5 В) на входе оптопары замкнет реле, а логический ноль соответственно - разомкнет. Цепь может получать питание практически от любого блока питания постоянного тока на 12 В. В данном варианте управляющего устройства резистор R1 = 1 КОм, Реле на 12 В / с сопротивлением обмотки 320 Ом потребляет около 38 мА.

Диод D1 (1N4007, 1N4001), подсоединенный параллельно катушке, защищает биполярный транзистор электромагнитного импульса, генерируемого индуктивностью катушки в момент запирания транзистора. C1 емкостьб 100 мкФ это шунтирующий конденсатор, он предназначен для гашения токовых пульсаций, когда реле включается и откключается.

Подборка несложных схем, управляющих мощной нагрузкой на определенный временной интервал, а затем ее автоматически отключающие.

В следующих статьях будут устройства, которые должны управлять внешней нагрузкой. Под внешней нагрузкой я понимаю все, что прицеплено к ножкам микроконтроллера – светодиоды, лампочки, реле, двигатели, исполнительные устройства … ну Вы поняли. И как бы не была заезжена данная тема, но, чтобы избежать повторений в следующих статьях, я все-же рискну быть не оригинальным — Вы уж меня простите:). Я кратенько, в рекомендательной форме, покажу наиболее распространенные способы подключения нагрузки (если Вы что-то захотите добавить – буду только рад).
Сразу договоримся, что речь идет о цифровом сигнале (микроконтроллер все-таки цифровое устройство) и не будем отходить от общей логики: 1 -включено, 0 -выключено. Начнем.

Нагрузкой постоянного тока являются: светодиоды, лампы, реле, двигатели постоянного тока, сервоприводы, различные исполнительные устройства и т.д. Такая нагрузка наиболее просто (и наиболее часто) подключается к микроконтроллеру.

1.1 Подключение нагрузки через резистор.
Самый простой и, наверно, чаще всего используемый способ, если речь идет о светодиодах.

Резистор нужен для того, чтобы ограничить ток протекающий, через ножку микроконтроллера до допустимых 20мА . Его называют балластным или гасящим. Примерно рассчитать величину резистора можно зная сопротивление нагрузки Rн.

Rгасящий = (5v / 0.02A) – Rн = 250 – Rн

Как видно, даже в самом худшем случае, когда сопротивление нагрузки равно нулю достаточно 250 Ом для того, что бы ток не превысил 20мА. А значит, если неохота чего-то там считать — ставьте 300 Ом и Вы защитите порт от перегрузки. Достоинство способа очевидно – простота.

1.2 Подключение нагрузки при помощи биполярного транзистора.
Если так случилась, что Ваша нагрузка потребляет более 20мА, то, ясное дело, резистор тут не поможет. Нужно как-то увеличить (читай усилить) ток. Что применяют для усиления сигнала? Правильно. Транзистор!

Для усиления удобней применять n-p-n транзистор, включенный по схеме ОЭ . 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. Транзистор 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). Еще имеет значение рассеиваемая мощность — чтоб не перегрелся.

Из распространенных и легко доступных можно заюзать BC546, BC547, BC548, BC549 с любыми буквами (100мА), да и тот-же КТ315 сойдет (это у кого со старых запасов остались).
- Даташит на биполярный транзистор BC547

1.3 Подключение нагрузки при помощи полевого транзистора.
Ну а если ток нашей нагрузки лежит в пределах десятка ампер? Биполярный транзистор применить не получиться, так как токи управления таким транзистором велики и скорей всего превысят 20мА. Выходом может служить или составной транзистор (читать ниже) или полевой транзистор (он же МОП, он же MOSFET). Полевой транзистор просто замечательная штука, так как он управляется не током, а потенциалом на затворе. Это делает возможным микроскопическим током на затворе управлять большими токами нагрузки.

Для нас подойдет любой n-канальный полевой транзистор. Выбираем, как и биполярный, по току, напряжению и рассеиваемой мощности.

При включении полевого транзистора нужно учесть ряд моментов:
— так как затвор, фактически, является конденсатором, то в моменты переключения транзистора через него текут большие токи (кратковременно). Для того чтобы ограничить эти токи в затвор ставиться ограничивающий резистор.
— транзистор управляется малыми токами и если выход микроконтроллера, к которому подключен затвор, окажется в высокоимпедансном Z-состоянии полевик начнет открываться-закрываться непредсказуемо, вылавливая помехи. Для устранения такого поведения ножку микроконтроллера нужно «прижать» к земле резистором порядка 10кОм.
У полевого транзистора на фоне всех его положительных качеств есть недостаток. Платой за управление малым током является медлительность транзистора. ШИМ, конечно, он потянет, но на превышение допустимой частоты он Вам ответит перегревом.

1.4 Подключение нагрузки при помощи составного транзистора Дарлингтона.
Альтернативой применения полевого транзистора при сильноточной нагрузке является применение составного транзистора Дарлингтона. Внешне это такой-же транзистор, как скажем, биполярный, но внутри для управления мощным выходным транзистором используется предварительная усилительная схема. Это позволяет малыми токами управлять мощной нагрузкой. Применение транзистора Дарлингтона не так интересно, как применение сборки таких транзисторов. Есть такая замечательная микросхема как ULN2003. В ее составе аж 7 транзисторов Дарлингтона, причем каждый можно нагрузить током до 500мА, причем их можно включать параллельно для увеличения тока.

Микросхема очень легко подключается к микроконтроллеру (просто ножка к ножке) имеет удобную разводку (вход напротив выхода) и не требует дополнительной обвязки. В результате такой удачной конструкции ULN2003 широко используется в радиолюбительской практике. Соответственно достать ее не составит труда.
- Даташит на сборку Дарлингтонов ULN2003

Если Вам нужно управлять устройствами переменного тока (чаще всего 220v), то тут все сложней, но не на много.

2.1 Подключение нагрузки при помощи реле.
Самым простым и, наверное, самым надежным есть подключение при помощи реле. Катушка реле, сама собой, является сильноточной нагрузкой, поэтому напрямую к микроконтроллеру ее не включишь. Реле можно подключить через транзистор полевой или биполярный или через туже ULN2003, если нужно несколько каналов.

Достоинства такого способа большой коммутируемый ток (зависит от выбранного реле), гальваническая развязка. Недостатки: ограниченная скорость/частота включения и механический износ деталей.
Что-то рекомендовать для применения не имеет смысла — реле много, выбирайте по нужным параметрам и цене.

2.2 Подключение нагрузки при помощи симистора (триака).
Если нужно управлять мощной нагрузкой переменного тока а особенно если нужно управлять мощностью выдаваемой на нагрузку (димеры), то Вам просто не обойтись без применения симистора (или триака). Симистор открывается коротким импульсом тока через управляющий электрод (причем как для отрицательной, так и для положительной полуволны напряжения). Закрывается симистор сам, в момент отсутствия напряжения на нем (при переходе напряжения через ноль). Вот тут начинаются сложности. Микроконтроллер должен контролировать момент перехода через ноль напряжения и в точно определенный момент подавать импульс для открытия симистора — это постоянная занятость контроллера. Еще одна сложность это отсутствие гальванической развязки у симистора. Приходится ее делать на отдельных элементах усложняя схему.

Хотя современные симисторы управляются довольно малым током и их можно подключить напрямую (через ограничительный резистор) к микроконтроллеру, из соображений безопасности приходится их включать через оптические развязывающие приборы. Причем это касается не только цепей управления симистором, но и цепей контроля нуля.

Довольно неоднозначный способ подключения нагрузки. Так как с одной стороны требует активного участия микроконтроллера и относительно сложного схемотехнического решения. С другой стороны позволяет очень гибко манипулировать нагрузкой. Еще один недостаток применения симисторов — большое количество цифрового шума, создаваемого при их работе — нужны цепи подавления.

Симисторы довольно широко используются, а в некоторых областях просто незаменимы, поэтому достать их не составляет каких либо проблем. Очень часто в радиолюбительстве применяют симисторы типа BT138.

Для подключения нагрузки к микроконтроллеру понадобятся следующие вещи:

• сам микроконтроллер
• биполярный транзистор NPN типа
• два резистора R1(500Ом) и R2(5кОм)

Составление схемы подключения нагрузки

Итак. Максимальный ток на вывод микроконтроллера составляет 20мА, напряжение на выходе составляет 5В. К примеру, мы хотим подключить к микроконтроллеру шаговый двигатель постоянного тока с управляющим напряжением 12В, током 200мА. Схема подключения следующая:

Расчет управляющего транзистора

Раз ток вывода микроконтроллера может составлять максимум 20мА, а получить на нужно 200мА, то необходимо подобрать NPN транзистор с минимальным коэффициентом усиления

hFE = 200мА / 20мА = 10

Вообще говоря, плохим тоном считается выдавать из микрика максимальные 20мА, поэтому давайте рассчитывать на выход 10мА. Итак, настроились на снижение нагрузки на наш микроконтроллер вдвое, теперь будем подбирать транзистор с минимальным коэффициентом

hFE = 200мА / 10мА = 20

В таком случае максимальный ток коллектора, а соответственно и ток нагрузки составит

Ic=Ib*hFE=0,01А*20=0,2А=200мА

Итак, выберем любой подходящий нам транзистор, например буржуйский BC337 .

Характеристики биполярного NPN транзистора BC337 следующие:

• Vcb max = 50V
• Vce max = 45V
• Veb max = 5V
• Ic max = 0.8A
• hFE = 100

О, Боже! hFE=100! Это значит, что ток на нагрузке будет равен Ic=0,01*100=1А?

Нет! В этом случае транзистор откроется нараспашку, будет готов выдавать максимально допустимый для него ток 0,8А(см.характеристики выше), но фактически ток в цепи коллектор-эмиттер составит ток потребления двигателя (в нашем случае двигатель «кушает» 200мА).

Расчет ограничительного резистора

В первую очередь нам необходимо подобрать резистор R1 для того, чтобы он ограничивал ток, выходящий из микроконтроллера . Расчет простой: необходимо напряжение питания 5В поделить на максимальный ток базы 10мА

R1 = 5В / 0.01А = 500Ом

Резистор R2 не является нагрузкой , он нужен для того, чтобы после снятия напряжения с базы, остатки тока между микроконтроллером и базой транзистора стравливались на землю. Иначе возможен случай, когда транзистор останется в открытом состоянии после снятия управляющего импульса. Рекомендуемый номинал резистора R2 — в 10 раз больше R1

Привет, Geektimes!

Управление мощными нагрузками - достаточно популярная тема среди людей, так или иначе касающихся автоматизации дома, причём в общем-то независимо от платформы: будь то Arduino, Rapsberry Pi, Unwired One или иная платформа, включать-выключать ей какой-нибудь обогреватель, котёл или канальный вентилятор рано или поздно приходится.

Традиционная дилемма здесь - чем, собственно, коммутировать. Как убедились многие на своём печальном опыте, китайские реле не обладают должной надёжностью - при коммутации мощной индуктивной нагрузки контакты сильно искрят, и в один прекрасный момент могут попросту залипнуть. Приходится ставить два реле - второе для подстраховки на размыкание.

Вместо реле можно поставить симистор или твердотельное реле (по сути, тот же тиристор или полевик со схемой управления логическим сигналом и опторазвязкой в одном корпусе), но у них другой минус - они греются. Соответственно, нужен радиатор, что увеличивает габариты конструкции.

Я же хочу рассказать про простую и довольно очевидную, но при этом редко встречающуюся схему, умеющую вот такое:

• Гальваническая развязка входа и нагрузки
• Коммутация индуктивных нагрузок без выбросов тока и напряжения
• Отсутствие значимого тепловыделения даже на максимальной мощности

Но сначала - чуть-чуть иллюстраций. Во всех случаях использовались реле TTI серий TRJ и TRIL, а в качестве нагрузки - пылесос мощностью 650 Вт.

Классическая схема - подключаем пылесос через обычное реле. Потом подключаем к пылесосу осциллограф (Осторожно! Либо осциллограф, либо пылесос - а лучше оба - должны быть гальванически развязаны от земли! Пальцами и яйцами в солонку не лазить! С 220 В не шутят!) и смотрим.

Включаем:

Пришлось почти на максимум сетевого напряжения (пытаться привязать электромагнитное реле к переходу через ноль - задача гиблая: оно слишком медленное). В обе стороны бабахнуло коротким выбросом с почти вертикальными фронтами, во все стороны полетели помехи. Ожидаемо.

Выключаем:

Резкое пропадание напряжения на индуктивной нагрузке не сулит ничего хорошего - ввысь полетел выброс. Кроме того, видите вот эти помехи на синусоиде за миллисекунды до собственно отключения? Это искрение начавших размыкаться контактов реле, из-за которого они однажды и прикипят.

Итак, «голым» реле коммутировать индуктивную нагрузку плохо. Что сделаем? Попробуем добавить снаббер - RC-цепочку из резистора 120 Ом и конденсатора 0,15 мкФ.

Включаем:

Лучше, но не сильно. Выброс сбавил в высоте, но в целом сохранился.

Выключаем:

Та же картина. Мусор остался, более того, осталось искрение контактов реле, хоть и сильно уменьшившееся.

Вывод: со снаббером лучше, чем без снаббера, но глобально проблемы он не решает. Тем не менее, если вы желаете коммутировать индуктивные нагрузки обычным реле - ставьте снаббер. Номиналы надо подбирать по конкретной нагрузке, но 1-Вт резистор на 100-120 Ом и конденсатор на 0,1 мкФ выглядят разумным вариантом для данного случая.

Литература по теме: Agilent - Application Note 1399, «Maximizing the Life Span of Your Relays ». При работе реле на худший тип нагрузки - мотор, который, помимо индуктивности, при старте имеет ещё и очень низкое сопротивление - добрые авторы рекомендуют уменьшить паспортный ресурс реле в пять раз .

А теперь сделаем ход конём - объединим симистор, симисторный драйвер с детектированием нуля и реле в одну схему.

Что есть на этой схеме? Слева - вход. При подаче на него «1» конденсатор C2 практически мгновенно заряжается через R1 и нижнюю половину D1; оптореле VO1 включается, дожидается ближайшего перехода через ноль (MOC3063 - со встроенной схемой детектора нуля) и включает симистор D4. Нагрузка запускается.

Конденсатор C1 заряжается через цепочку из R1 и R2, на что уходит примерно t=RC ~ 100 мс. Это несколько периодов сетевого напряжения, то есть, за это время симистор успеет включиться гарантированно. Далее открывается Q1 - и включается реле K1 (а также светодиод D2, светящий приятным изумрудным светом). Контакты реле шунтируют симистор, поэтому далее - до самого выключения - он в работе участия не принимает. И не греется.

Выключение - в обратном порядке. Как только на входе появляется «0», C1 быстро разряжается через верхнее плечо D1 и R1, реле выключается. А вот симистор остаётся включённым примерно 100 мс, так как C2 разряжается через 100-килоомный R3. Более того, так как симистор удерживается в открытом состоянии током, то даже после отключения VO1 он останется открытым, пока ток нагрузки не упадёт в очередном полупериоде ниже тока удержания симистора.

Включение:

Выключение:

Красиво, не правда ли? Причём при использовании современных симисторов, устойчивых к быстрым изменениям тока и напряжения (такие модели есть у всех основных производителей - NXP, ST, Onsemi, etc., наименования начинаются с «BTA»), снаббер не нужен вообще, ни в каком виде.

Более того, если вспомнить умных людей из Agilent и посмотреть, как меняется потребляемый мотором ток, получится вот такая картинка:

Стартовый ток превышает рабочий более чем в четыре раза. За первые пять периодов - то время, на которое симистор опережает реле в нашей схеме - ток падает примерно вдвое, что также существенно смягчает требования к реле и продлевает его жизнь.

Да, схема сложнее и дороже, чем обычное реле или обычный симистор. Но часто она того стоит.