Как подключить реле к микроконтроллеру. Схемы подключения ключа с реле к выходу микроконтроллера или индикатора

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.

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.

Многие начинающие радиолюбители начинают знакомится с электроникой с простых схем, которых полно в интернете. Но если это устройство управления, в котором к схеме подключается какой-то исполнительный механизм, а в схеме способ подключения не указан, то тогда новичку приходится туго. Данная статья была написана с целью помощи начинающим радиолюбителям разобраться с этой проблемой.

Нагрузки постоянного тока.

Первый способ - подключение через резистор

Самый простой способ - подходит для несильноточных нагрузок - светодиодов.

Rгас = (U/ I) – Rн

Где U - напряжение питания(в Вольтах), I - допустимый ток через схему(в Амперах), Rн - сопротивление нагрузки(в Омах)

Второй способ - Биполярный транзистор

Если потребляемый ток нагрузки больше, чем максимальный отдаваемый ток Вашего устройства, то резистор тут не поможет. Нужно увеличить ток. Для этого обычно испоьзуют транзисторы.

В данной схеме применен n-p-n транзистор, включенный по схеме ОЭ. При таком способе можно подключать нагрузку с большим напряжением питания, чем питание Вашего устройства. Резистор R1 нужен для ограничения тока, протекающего через транзистор, обычно ставится на 1-10 кОм.

Третий способ - полевой транзистор

Для управления нагрузкой, ток которой составляет десятки ампер(особо мощные электродвигатели, лампы и тд) применяется полевой транзистор.

Резистор R1 ограничивает ток через затвор. Так как полевой транзистор управляется малыми токами и если выход Вашего устройства, к которому подключен затвор, окажется в высокоимпедансном Z-состоянии полевик начнет открываться-закрываться непредсказуемо, вылавливая помехи. Для устранения такого поведения выход устройства «прижимается» к земле резистором 10кОм.
У полевого транзистора есть особенность - его медлительность. При превышении допустимой частоты он станет перегреватся.

Переменный ток.

Первый способ - реле.

Самым простым способом управления нагрузкой переменного тока является реле. Реле, само по себе является сильноточной нагрузкой - нужно включать через биполярный или полевой транзистор.

Недостатки реле - его медлительность и механический износ деталей.

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.

Многие радиолюбители, которые занимаются конструированием схем на микроконтроллерах, сталкиваются с проблемой нехватки выводов у оных. Поэтому приходится изыскивать пути решения этого вопроса путем возложения на один вывод контроллера нескольких функций.

Эта тема уже затрагивалась в статье . Схема нового варианта управления нагрузкой двумя реле и использованием так же одного вывода микроконтроллера показана на рисунке ниже.

Работа схемы

Начнем с программы инициализации контроллера. Вывод GP0 должен быть сконфигурирован на вход. При этом он будет иметь высокоимпедансное состояние. Еще такое состояние вывода называют третьим состоянием. Можно представить, что вывод 7 DD1 висит в воздухе и на состояние оптронов не оказывает никакого влияния. По последовательной цепи управления, состоящей из стабилитрона VD1, резистора R1, светодиодов оптронов U1 и U2, резистора R2 и еще одного стабилитрона VD2, в таком состоянии ток протекать не будет. Потому что суммарное пробивное напряжение стабилитронов (3В+3В=6В), имеющих напряжение стабилизации 3 вольта, больше, чем напряжение, приложенное к этой цепи 5 вольт.

Для включения реле Р1 необходимо в программе микроконтроллера вывод GP0 сконфигурировать на выход и оставить его в нулевом состоянии. Таким образом, напряжение питания 5 вольт будет приложено к верхней половине вышеупомянутой цепи. В данной ситуации пяти вольт уже хватает, чтобы открылся стабилитрон VD1 и через светодиод оптрона U1 стал протекать открывающий его транзистор ток. При величине резистора, указанной на схеме 130 Ом, через светодиод оптрона протекал ток, примерно 5 мА. Для большинства оптронов этого вполне достаточно для полного открывания его транзистора. Через открытый транзистор оптрона и резистор R3 начнет подаваться напряжение на базу транзистора VT1, это приведет к его открыванию и соответственно к срабатыванию реле Р1. Что будут коммутировать реле, думать вам. Для выключения реле следует перевести вывод контроллера опять в третье состояние. Для включения реле Р2 необходимо так же перевести вывод микроконтроллера GP0 в состояние вывода информации и сформировать на нем логическую «1». Теперь транзистор выходного буфера контроллера закоротит верхнюю половину цепи управления, и напряжение питания +5 вольт будет подано на нижнюю половину цепи управления. Далее сработает оптрон U2, а за ним транзистор VT2 с реле Р2. Для выключения реле опять следует перевести вывод контроллера опять в третье состояние.

Тип транзисторов примененных в схеме зависит от выдранного вами реле. По крайней мере, ток коллектора должен быть раза в два… три больше рабочего тока реле. Микросхема DA1 может быть любым подходящим стабилизатором напряжения на пять вольт.