Как подключить реле к микроконтроллеру. Щелкаем реле правильно: коммутация мощных нагрузок. Простой релейный драйвер

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.

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.

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:

Подключение нагрузки к микроконтроллеру

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