Ардуино реле гальваническая развязка

Релейный модуль с гальванической развязкой

Сегодня мы рассмотрим довольно простую и в то же время нужную конструкцию — релейный модуль с гальванической развязкой. Эти модули обычно применяются для управления мощными нагрузками с помощью различных контроллеров (например, всяких Arduino, Freeduino и тому подобных).

Почему вообще такие модули популярны? Во-первых, выходы современных контроллеров, как правило, очень маломощные и не могут напрямую коммутировать обмотки реле. Во-вторых, блоки питания контроллерных модулей редко имеют достаточный запас по мощности, чтобы запитать ещё и десяток-другой каких-нибудь релюх. Это просто нерационально, учитывая, что заранее неизвестно сколько именно релюх конечный потребитель захочет на ноги контроллера повесить. В-третьих, развязка цепей контроллера и цепей питания реле даёт возможность использовать релюхи с напряжением, отличным от напряжения питания контроллера. Есть ещё и в-пятых, и в-шестых и так далее, но и этого, я думаю, уже достаточно, чтобы понять, насколько удобен для управления нагрузкой отдельный релейный модуль с гальванической развязкой.

1. K1 — реле BS-115C-12A-12VDC
2. T1 — транзистор BC846
3. DA1 — оптрон TLP621
4. D1 — диод LL4148
5. R1 = 10 кОм; R2 = 1,5 кОм

В принципе, оптрон, транзистор и реле можно взять и другие, в этом случае нужно будет пересчитать номиналы резисторов. Для маломощной схемы, в которой можно не беспокоиться о перегреве и не заботиться об экономии электричества, не обязательно смотреть всякие там графики и максимально точно всё рассчитывать. Достаточно использовать вот такой упрощённый метод:

1) Находим доку на релюху, которую мы будем использовать, и узнаём из неё номинальное напряжение Ur и номинальный ток обмотки Ir этой релюхи. Номинальное напряжение — это та напруга, которую должен иметь блок питания, которым мы будем запитывать наш модуль (Ur=Vcc). Минимум такое же обратное напряжение должен выдерживать диод D1, такое же напряжение коллектор-эмиттер должен выдерживать транзистор T1 и транзистор оптрона DA1 (на самом деле во всех случаях надо брать с запасом).

2) Номинальный ток обмотки. Минимум такой ток должен выдерживать транзистор T1 и такой прямой ток должен выдерживать диод D1 (опять же брать нужно с запасом). Зачем нужен диод, думаю никому объяснять не нужно, но всё же. Дело в том, что ток через катушку не может измениться мгновенно и после размыкания транзисторного ключа T1 продолжает некоторое время течь в сторону коллектора T1. Если его оттуда не «слить», то потенциал коллектора вырастет и транзистор может «пробить». Чтобы этого не произошло как раз и стоит диод, который, при росте потенциала коллектора T1 выше потенциала линии Vcc, открывается и «сливает» лишний заряд обратно на линию Vcc.

3) Считая, что ток коллектора транзистора T1 равен номинальному току обмотки реле, находим минимальный достаточный ток базы транзистора T1 (он же — ток транзистора оптрона):
Ib=Ir/h21 (h21 смотрим в доке на транзистор).

4) Исходя из величины напряжения питания модуля и найденного значения тока базы транзистора T1, рассчитываем номинал резистора R2: R2=Ur/Ib. Округляем его до ближайшего меньшего значения из стандартного ряда. Если величина напряжения питания небольшая (3-5-7 Вольт), то необходимо учитывать также падение напряжения на транзисторе оптрона.

5) Исходя из минимального CTR оптрона и нужного тока через транзистор оптрона, находим минимальный ток через диод оптрона: If=Ib/(CTR/100)=100*Ib/CTR (CTR обычно указывается в %, поэтому его и нужно разделить на 100).

6) Ну и, наконец, находим сопротивление резистора R1: R1=(Ui-Uf)/If (Ui — это напряжение, соответствующее высокому уровню управляющего сигнала, Uf — падение напряжения на диоде оптрона).

Для примера приведу свой вариант расчёта:

Нашёл я значит где-то в закромах 12 Вольтовую релюху BS-115C. Качнул на неё доку и узнал, что ток обмотки для неё равен 30 мА. Соответственно, мне оказались нужны транзистор, диод и оптрон, которые выдерживают 12 В напруги и 30 мА тока, то есть практически любые маломощные компоненты.

Глянул, каких у меня много мелких npn-транзисторов. Оказалось, что полно bc846. По доке Uce=65 Вольт, Ic=100 мА, то есть хватает с большим запасом. Его и взял. Диод взял LL4148 (300 мА, 70В обратки), а оптрон TPL621 (выходной транзистор на 300 мА, Vce=55 В, ток диода до 50 мА, прямое падение на диоде 1,15 В).

Из доки на транзистор h21=100, соответственно, минимальный ток базы, который меня устроит, будет 30/100=0,3 мА. Тогда резистор R2 мне нужен 12/0,3 = 40 кОм. Я взял 10 кОм, чтоб с запасом. Ток при этом получился Ib=12/10 = 1,2 мА (всё равно такой мизерный ток ничего не нагреет).

Из доки на оптрон следует, что его минимальный CTR=50%. Соответственно, минимальный ток диода оптрона должен быть равен: If=100*1,2/50=2,4 мА.

Теперь можно посчитать резистор в цепи управления: R1=(5-1,15)/2,4=1,6 кОм. Я взял 1,5 кОм. Вот и весь расчёт.

В эту плату добавлены 2 светодиода (один — в цепь питания, другой — в цепь управления) и конденсатор по питанию.

Если напряжение питания релейного модуля совпадает с уровнями управления и плата управления способна обеспечить требуемый для питания релейного модуля ток, то можно не использовать отдельный блок питания, а запитать релейный модуль прямо от платы управления.

Например, если бы мы использовали в релейном модуле реле на 5 В (BS-115C-12A-5VDC, с номинальным током через обмотку 72 мА), а управляли этим модулем от UART-to-I2C/SPI/1W шлюза, который, в свою очередь, управлялся бы от компьютера через преобразователь USB-to-UART, то наш релейный модуль можно было бы прямо от шлюза и запитать (тока USB порта вполне хватает, чтобы запитать и шлюз, и один такой модуль). Фактически, мы получили бы аналог USB-реле.

Источник

Arduino и реле

Описание

Электромагнитное реле – универсальный способ коммутировать нагрузку. Универсальность в том, что реле имеет чисто механический контакт, то есть физически замыкает контакты. Это позволяет коммутировать нагрузку как переменного, так и постоянного тока в широком диапазоне напряжений: от 0 до сетевого, то есть 220 Вольт. По току производитель обещает 10 А, то есть можно коммутировать например 2 кВт обогреватель. Само реле напрямую к микроконтроллеру подключать нельзя, поэтому для управления силовая схема развязывается с логической, соответственно китайцы выпускают несколько типов модулей реле:

В наборе идёт красный модуль с настройкой логического уровня (жёлтый джампер-перемычка между буквами H и L). В центре – самый дешёвый модуль с минимальной обвязкой, высокого уровня. И справа – тоже неплохой модуль, но низкого уровня, что не всегда удобно использовать. Примечание: реле высокого уровня переключается при высоком сигнале на логический вход, а низкого – низком. Все модули реле имеют три пина на одном конце и три на другом:

Слева находятся пины питания и управления самого реле:

• VCC (DC+, +) – питание
• GND (DC-, -) – “земля”
• IN (S) – логический управляющий сигнал

Справа находятся выходы самого реле, это одна контактная группа с переключением:

• COM (Common) – общий контакт
• NO (Normal Open) – нормально разомкнутый относительно COM контакт
• NC (Normal Close) – нормально замкнутый относительно COM контакт

Работает это следующим образом: само реле (синяя коробочка на плате) питается от VCC и GND и подключается на питание схемы, так как реле потребляет около 60 мА при переключении. Но управляется реле логическим сигналом от микроконтроллера, который подаётся на пин IN. На выходе реле наблюдается следующая картина: у неактивного реле замкнуты контакты COM и NC. При активации реле контакт переключается и COM замыкается с NO.

Реле высокого уровня будет включаться и потреблять ток при подаче высокого сигнала (5, 3.3V), а низкого – при подаче низкого (GND, 0V). Чисто логически удобнее использовать реле высокого уровня: подали высокий сигнал – реле включилось. Мы кстати разбирали реле вот в этом уроке. И вот в этом:

Подключение

Примеры

Для активации реле достаточно подать высокий сигнал (для реле из набора) на логический вход. Для примера и проверки подойдёт и классический пример “мигания светодиодом”:

Источник

Подключение реле к Ардуино

Реле Ардуно позволяет подключить устройства, работающие в режимах с относительно большими токами или напряжения. Мы не можем напрямую подключить к плате Arduino мощные насосы, двигатели, даже обычную лампочку накаливания – плата не предназначена для такой нагрузки и работать не будет. Именно поэтому нам придется добавить в схему реле, который вы можете встретить в любом проекте. В этой статье мы поговорим о том, что такое реле, какие они бывают, как можно их подключить своем ардуино проекте.

Принцип действия реле

Реле – это шлюз, который позволяет соединить вместе электрические цепи с совершенно разными параметрами. Обычный шлюз на реке соединяет водные каналы, расположенные на разной высоте, открывая или закрывая ворота. Реле в ардуино включает или выключает внешние устройства, определенным образом замыкая или размыкая отдельную электрическую сеть, в которую они подключены. С помощью ардуино и реле мы управляем процессом включения или выключения так же, как включаем или выключаем свет дома – подавая команду на замыкание или размыкание. Ардуино подает сигнал, само же замыкание или размыкание “мощной” цепи будет делать реле через специальные внутренние механизмы. Реле можно представить себе в виде дистанционного пульта, с помощью которого мы выполняем нужные действия с помощью относительно “слабых” сигналов.

Реле характеризуется следующими параметрами:

• Напряжение или ток срабатывания.
• Напряжение или ток отпускания.
• Время срабатывания и отпускания.
• Рабочие ток и напряжение.
• Внутреннее сопротивление.

В зависимости от типа этих внутренних размыкающих механизмов и особенностях устройства можно выделить две основные группы реле: электромеханические реле (включение с помощью электромагнита) и твердотельные реле (включение через специальные полупроводниковые компоненты).

Электромагнитные и твердотельные реле

Электромагнитное реле

Электромагнитное реле – это электрическое устройство, которое механическим путем замыкает или размыкает цепь нагрузки при помощи магнита. состоит из электромагнита, подвижного якоря и переключателя. Электромагнит – это провод, который намотан на катушку из ферромагнетика. В роли якоря выступает пластина из магнитного материала. В некоторые модели устройства могут быть встроены дополнительные электронные компоненты: резистор для более точного срабатывания реле, конденсатор для уменьшения помех, диод для устранения перенапряжений.

Работает реле благодаря электромагнитной силе, возникающей в сердечники при подаче тока по виткам катушки. В исходном состоянии пружина удерживает якорь. Когда подается управляющий сигнал, магнит начинает притягивать якорь и замыкать либо размыкать цепь. При отключении напряжения якорь возвращается в начальное положение. Источниками управляющего напряжения могут быть датчики (давления, температуры и прочие), электрические микросхемы и прочие устройства, которые подают малый ток или малое напряжение.

Электромагнитное реле применяется в схемах автоматики, при управлении различными технологическими установками, электроприводами и другими устройствами. Реле предназначено для регулирования напряжений и токов, может использоваться как запоминающее или преобразующее устройство, также может фиксировать отклонения параметров от нормальных значений.

Классификация электромагнитных реле:

• Управляющий ток может быть как постоянным, так и переменным. В первом случае устройство может быть нейтральным или поляризованным. Для переменного тока якорь выполняется из электротехнической стали, чтобы уменьшить потери.
• Якорное или герконовое реле. Для якорного процесс замыкания и размыкания происходит при помощи перемещения якоря, для герконового характерно отсутствие сердечника, магнитное поле воздействует на электрод с контактами.
• Быстродействие – до 50 мс, до 150 мс и от 1 с.
• Зщитное покрытие – герметизированное, зачехленное и открытое.

По сравнению с полупроводниковыми устройствами электромагнитное реле обладает преимуществами – оно стоит недорого, коммутация большой нагрузки при небольшом размере устройства, малое выделение тепла на катушке. Из недостатков можно выделить медленное срабатывание, помехи и сложность коммутации индуктивных нагрузок.

Твердотельные реле

Твердотельные реле считаются хорошей альтернативой электромагнитным, они представляет собой модульное полупроводниковое устройство, которое производится по гибридной технологии. В составе реле имеются транзисторы, симисторы или тиристоры. По сравнению с электромагнитными устройствами твердотельные реле обладают рядом преимуществ:

• Долгий срок эксплуатации.
• Быстродействие.
• Малые размеры.
• Отсутствуют посторонние шумы, акустические помехи, дребезги контактов.
• Низкое потребление энергии.
• Качественная изоляция.
• Стойкость к вибрации и ударам.
• Нет дугового разряда, что позволяет работать во взрывоопасных местах.

Работают по следующему принципу: подается управляющий сигнал на светодиод, происходит гальваническая развязка управляющей и коммутируемой цепей, затем сигнал переходит на фотодиодную матрицу. Напряжение регулирует силовым ключом.

Твердотельные реле также имеют несколько недостатков. Во-первых, при коммутации происходит нагрев устройства. Повышение температуры устройства приводит к ограничению регулируемого тока – при температурах, превышающих 60 градусов, уменьшается величина тока, максимальная рабочая температура 80 градусов.

Твердотельные реле классифицируются по следующим признакам:

• Тип нагрузки – однофазные и трехфазные.
• Способ управления – коммутация происходит за счет постоянного напряжения, переменного или ручного управления.
• Метод коммутации: контроль перехода через ноль (применяется для слабоиндуктивных, емкостных и резистивных нагрузок), случайное включение (индуктивные и резистивные нагрузки, которым необходимо мгновенное срабатывание) и фазовое управление (изменение выходного напряжения, регулировка мощности, управление лампами накаливания).

Реле в проектах Ардуино

Наиболее распространенное реле для платы Ардуино выполняется в виде модуля, например, SONGLE SRD-05VDC. Устройство управляется напряжением 5 В, может коммутировать до 10 А 30 В DC и 10 А 250 В AC.

Схема изображена на рисунке. Реле состоит из двух не связанных между собой цепей – управляющая цепь А1 и А2 и управляемая 1, 2 и 3.

Между А1 и А2 имеется металлический сердечник. Если пустить по нему электрический ток, к нему притянется якорь (2). 1, 3 – неподвижные контакты. При отсутствии тока якорь будет около контакта 3.

Подключение реле к Ардуино

Рассмотрим одноканальный модуль реле. Он имеет всего 3 контакта, подключаются они к Ардуино Uno следующим образом: GND – GND, VCC – +5V, In – 3. Вход реле – инвертирован, так что высокий уровень на In выключает катушку, а низкий – включает.

Светодиоды нужны для индикации – при загорании красного LED1 подается напряжение на реле, при загорании зеленого LED2 происходит замыкание. Когда включается микроконтроллер, транзистор закрыт. Для его открытия на базу нужен минус, подается при помощи функции digitalWrite(pin, LOW);. Транзистор открывается, протекает ток через цепь, реле срабатывает. Чтобы его выключить, на базу подается плюс при помощи digitalWrite(pin, HIGH);.

Схема подключения лампы и внешний вид макета представлены на рисунках.

О том, как можно писать скетч для реле в ардуино мы уже писали ранее.

Источник