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.
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);.
В статье описывается такое электронное устройство как реле, кратко объясняются принципы его работы, а также рассматривается подключение модуля с реле постоянного тока к Arduino на примере управления светодиодами.
Нам понадобится:
- Ардуино UNO (или совместимая плата);
- персональный компьютер с Arduino IDE или иной средой разработки ;
- модуль с реле (например, такой);
- 4 резистора по 220 Ом (рекомендую приобрести набор резисторов с номиналами от 10 Ом до 1 МОм);
- 4 светодиода (к примеру, вот из такого набора);
- соединительные провода (вот такие).
1 Принцип действия и виды реле
Реле - это электромеханическое устройство для замыкания и размыкания электрической цепи. В классическом варианте реле содержит электромагнит, который управляет размыканием или замыканием контактов. Если в нормальном положении контакты реле разомкнуты, а при подаче управляющего напряжения замыкаются, такое реле называется замыкающим. Если в нормальном состоянии контакты реле сомкнуты, а при подаче управляющего напряжения размыкаются, такой тип реле называется размыкающим.
Кроме того, существует множество других видов реле: переключающие, одноканальные, многоканальные, реле постоянного или переменного тока, и другие.
2 Схема подключения модуля реле SRD-05VDC-SL-C
Будем использовать модуль с двумя одинаковыми реле типа SRD-05VDC-SL-C или аналогичный .
Модуль имеет 4 разъёма: силовые разъёмы K1 и K2, управляющий разъём и разъём для подачи внешнего питания (с джампером).
Реле типа SRD-05VDC-SL-C имеет три контакта для подключения нагрузки: два крайних неподвижных, а средний - переключающийся. Именно средний контакт является своего рода «ключом», который коммутирует цепи тем или иным образом. На модуле есть подсказка, какой именно контакт реле является нормально замкнутым: маркировка "K1" и "K2" соединяет средний контакт с крайним левым (на фото). Подача управляющего напряжения на вход IN1 или IN2 (слаботочный управляющий разъём) заставит реле скоммутировать средний контакт контактной группы K1 или K2 с правым (силовой разъём). Ток, достаточный для переключения реле - около 20 мА, цифровые выводы Arduino могут выдавать до 40 мА.
Разъём для подачи внешнего питания используется для того, чтобы обеспечить гальваническую развязку платы Arduino и модуля реле. По умолчанию, на разъёме между штырьками JD-VCC и VCC имеется перемычка. Когда она установлена, модуль использует для питания напряжение, поданное на вывод VCC управляющего разъёма, а плата Arduino не имеет гальванической развязки с модулем. Если нужно обеспечить гальваническую развязку модуля и Arduino, необходимо подавать питание на модуль через разъём внешнего питания. Для этого убирается перемычка, и дополнительное питание подаётся на контакты JD-VCC и GND. При этом питание на вывод VCC управляющего разъёма также подаётся (от +5 В Arduino).
Кстати, реле может коммутировать не только слаботочную нагрузку, как в нашем примере. С помощью реле можно замыкать и размыкать достаточно большие нагрузки. Какие именно – нужно смотреть в техническом описании к конкретному реле. Например, данное реле SRD-05VDC-SL-C может коммутировать сети с током до 10 А и напряжением до 250 В переменного тока или до 30 В постоянного тока. То есть его можно использовать, например, для управления освещением квартиры.
Откуда получило своё название реле
От фамилии британского учёного лорда Рэлея - 28.6%
От процедуры смены уставших почтовых лошадей - 57.1%
От названия физической величины измерения яркости - 0%
В данном примере нам не нужна гальваническая развязка Arduino и модуля реле, поэтому будем питать модуль напрямую от платы Arduino, а джампер оставим на своём месте. Соберём схему, как показано на рисунке. Используемые резисторы - 220 Ом, светодиоды любые.
3 Скетч управления реле с помощью Arduino
Будем поочерёдно зажигать пару светодиодов одного цвета, и каждую секунду переключаться на пару другого цвета. Напишем вот такой скетч.
Const int relay1 = 2; // пин управления 1-ым реле const int relay2 = 3; // пин управления 2-ым реле const int led1 = 4; // коммутируемый вывод - питание 1-го светодиода const int led2 = 5; // коммутируемый вывод - питание 2-го светодиода void setup() { pinMode(relay1, OUTPUT); pinMode(relay2, OUTPUT); pinMode(led1, OUTPUT); pinMode(led2, OUTPUT); // установим оба реле в исходное положение: digitalWrite(relay1, HIGH); digitalWrite(relay2, HIGH); // подадим питание на светодиоды: digitalWrite(led1, HIGH); digitalWrite(led2, HIGH); } void loop() { // переключим оба реле: digitalWrite(relay1, LOW); digitalWrite(relay2, LOW); delay(1000); // переключим оба реле обратно: digitalWrite(relay1, HIGH); digitalWrite(relay2, HIGH); delay(1000); }
Теперь загрузим скетч в память Arduino. Вот как это всё выглядит у меня. Реле громко пощёлкивают раз в секунду, а светодиоды весело моргают.
Кстати, существуют другие типы коммутирующих устройств, например, оптроны. Эти устройства не имеют механических частей, что существенно повышает их износоустойчивость и скорость срабатывания. Кроме того, они имеют меньший размер и меньшее энергопотребление.
Скачать техническое описание (datasheet) реле SRD-05VDC-SL-C
Цифровые пины на Arduino могут принимать значения high или low. Именно это свойство используется для управления большинством внешних двигателей, датчиков и т.п.
Но иногда возникают ограничения, связанные с тем, что устройсва требуют большие токи, чем может предоставить Arduino. Судя по спеку, платы Arduino предоставляют нам в распоряжение всего лишь 20 мА.
Если вы слишком часто будете работать с токами, которые превышают эти рекомендации, у вас не толь будет ненадежная электрическая цепь, но можно повредить и ваш контроллер Arduino.
Вместо этого вам надо подключать необходимую силу тока. Один из вариантов - использовать реле. Кроме этого, порой вам понадобятся и транзисторы, например, TIP122, который рассмотрен в этой статье.
Необходимые узлы
Основное преимущество данного подхода: его дешевизна.
Транзистор TIP122 можно найти в любом магазине радиотехнических деталей или заказать на Aliexpress, eBay.
Автоматические реле можно купить там же.
Описание транзистора TIP122 и его распиновка
TIP122 - это биполярный транзистор. То есть для базы надо обеспечить большее позитивное напряжение, чем на эмиттере, что позволит току поступать от эмиттера к коллектору. Расположение базы, эмиттера и коллектора TIP122 показаны на рисунке ниже.
Главное, что надо помнить об этом транзисторе - то, что он позволяет протекать току в 5 А от эмиттера через коллектор и 120 мА от эмиттера через базу.
Также очень круто то, что вы можете получить разницу в 100 В между коллектором и эмиттером и 100 вольт между коллектором и базой.
Не чересчур ли это? Для большинства проектов на Arduino - действительно чересчур. Но при этом они дешевые и когда появляется новая идея, не приходится заморачиваться и подбирать нужный транзистор, так как этот наверняка подойдет. Когда проект или конструкция апробирована, можно оптимизировать уже после тестового образца.
Автоматическое реле Bosch Cube. Распиновка и описание
Эти реле могут обеспечивать различные напряжения и силу тока. То реле, о котором пойдет речь дальше обеспечивает напряжение 12 В и силу тока 20/30 А. То есть, при замкнутых контактах сила тока составляет 20А, при разомкнутых - 30 А.
Кроме того, на моем реле сопротивление катушки примерно равно 95 Ом.
Сила тока, которая нужна для катушки гораздо больше чем та, которую может предоставить Arduino, но ее становится вполне достаточно после использования транзистора TIP122, который выдает 5 А.
Схема и описание подключения Arduino, TIP122 и реле
На электросхеме, которая приведена ниже, выход high D0 подключен к базе TIP122 и благодаря этому ток может проходить к пину 86 на реле. Благодаря этому подается питание на реле и в нем замыкаются контакты 30 и 87. После этого вы можете запитывать любое ваше внешнее устройство.
Пояснения к использованию и программа для Arduino, TIP122 и автоматического реле
В этом примере мы соберем небольшую схему, в которой Arduino используется для управления автоматическим реле. После загрузки скетча на микроконтроллер, реле включится на две секунды и отключится на две секунды. Это будет продолжаться, пока вы не отключите питание от вашей платы Arduino.
Схема подключения соответствует той, которую мы рассмотрели выше. Ниже представлен ее более наглядный вариант.
Скопируйте, вставьте скетч в Arduino IDE и загрузите его на Arduino.
Перед загрузкой программы отключите внешний источник питания.
// Тест: TIP122 и Arduino
int nRelayDrive = 0; // пин 0 у нас для управления реле
pinMode(nRelayDrive, OUTPUT); // объявляем реле в качестве выхода
digitalWrite(nRelayDrive, LOW); // включаем реле
digitalWrite(nRelayDrive, HIGH); // отключаем реле
Проверка
Отключите ваш USB кабель от персонального компьютера и подключите внешний источник питания к Arduino и реле. Дайте вашему миикроконтроллеру время для перезагрузки. Если все было сделано правильно, вы должны услышать характерный клик реле, которое будет замыкать и размыкать контакт через каждые две секунды.
P.S. В данном проекте в качестве источника питания использовался аккумулятор от машины на 12 Вольт, но можно использовать и другой.
Оставляйте Ваши комментарии, вопросы и делитесь личным опытом ниже. В дискуссии часто рождаются новые идеи и проекты!
Всем привет! Всё, что мы изучали до недавнего времени, были «учебными задачами». Пришло время поставить более серьёзную.
Микроконтроллер (далее – МК) может успешно управлять различными нагрузками (потребителями электроэнергии). Однако выполнять данные операции напрямую он не может. Поскольку напряжение, что протекает в сети на порядки отличается от напряжения, что в состоянии «выдать» МК.
В статье постарается разобраться со следующими пунктами:
- подключение реле к МК (в нашем случае плата Arduino);
- управление релейным модулем;
- управление реальным потребителем электроэнергии;
Примечание: при работе с напряжением 220 В соблюдайте осторожность. Изолируйте все выполненные соединения. Перед включением в электросеть прозвоните мультиметром собранные стенд на предмет отсутствие короткого замыкания.
Перед тем, как переходит непосредственно к работе с релейным модулем, рассмотрим из чего состоит реле и как оно работает.
Управление модулем, на котором установлено реле осуществляется при помощи постоянного напряжения 5В. Модуль способен коммутировать 300 Вт (30В, 10А постоянки) и 2500 Вт (250В, 10А переменки).
Само реле состоит из двух цепей, что не связаны друг с другом. Первая цепь (управляющая) выводы А1, А2. Вторая цепь (управляемая) выводы 1, 2, 3.
Конструкция управляющей цепи следующая: между выводами А1 и А2 находится металлический сердечник, к которому в момент протекания по нему тока притягивается подвижный якорь 2. Выводы 1 и 3 неподвижны. Якорь фиксируется пружинной. В момент, когда ток не течёт по сердечнику, якорь прижат к контакту 3. Когда цепь замыкается и начинает протекать ток, якорь притягивается к контакту 1 и в этом момент звучит характерный «щелчок». После разрыва цепи пружина возвращает якорь на исходную позицию.
В качестве рабочего образца у меня имеется одноканальный релейный модуль.
Контакты в реле делятся на два типа:
- нормально закрытый (НЗ) (пара 1-2);
- нормально открытый (НО) (пара 2-3).
По условию НЗ разомкнут (не звонится мультиметром накоротко), а НО замкнут (звонится мультиметром накоротко). Подключаем разрыв фазы на нормально закрытую пару контактов.
Индикация:
- Красный светодиод извещает пользователя о том, что на модуль подано питание;
- Зеленый светодиод извещает пользователя о том, что реле замкнуто.
Принцип работы модуля.
В момент, когда мы включаем МК, его выводы находятся в высокоимпедансном состоянии (очень большое сопротивление), соответственно транзистор закрыт. Для открытия транзистора необходимо подать низкий уровень сигнала, иными словами 0 (касается транзистора p-n-p типа). После этого транзистор открывается и через первую (управляющую) цепь начинает протекать ток, в этот момент мы слышим характерный «щелчок». Чтобы выключить реле, нужно подать высокий уровень сигнала на транзистор.
Распиновка выводов модуля:
- VCC — «+» питание;
- GND — «-» земля;
- IN — входной сигнал, что «рулит» релюшкой.
Подключаем релюшку к Arduino :
- VCC «кидаем» на вывод 5В платы arduino.
- GND «кидаем» на один из выводов GND платы arduino.
- IN «кидаем» на 13 вывод платы arduino.
Для того, чтобы подключить потребитель электроэнергии (в моём случаем лампочку накаливания) реле ставим в разрыв одной из жил провода (ставить следует на фазу).
Испытательный стенд состоит из трёх частей:
- Линия питания;
Шилд блока реле 4 канала для Arduino UNO R3 и MEGA 2560
Реле — это электромеханические устройства, замыкающие и/или размыкающие контакты внешней электрической цепи при подаче в обмотку реле управляющего электрического тока. Этот ток порождает магнитное поле, вызывающее перемещение ферромагнитного якоря реле, механически связанного с электрическими контактами внешней электрической цепи. Последующее перемещение контактов коммутирует эту цепь.
К реле можно подключить лампочку, вентилятор, электромагнитный клапан для управление поливом и программно управлять этими устройствами изменением состояния на цифровых выводах Arduino.
Relay Shield — плата расширения для Arduino, на которой расположены 4 независимых реле TIANBO, подключённых к цифровым пинам Arduino. Это реле управляется напряжением 5 вольт и способно коммутировать до 3 ампер постоянного тока напряжением 24 В и переменного тока напряжением 125 В.
Для управления 4 реле платы используются следующие выводы Arduino - D4, D5, D6, D7.. При подключении каждого вывода Arduino к схеме переключения реле используется гальваническая развязка, что предотвращает внешние наводки при включении/выключении, подключенной к реле нагрузки. В схеме реле используется транзистор p-n-p типа, для его открытия нужно подать на базу минус. Для этого используем функцию digitalWrite(pin, LOW). Транзистор будет открыт и через управляющую цепь потечет ток и реле сработает. Для отключения реле следует закрыть транзистор, подав на базу плюс, вызвав функцию digitalWrite(pin, HIGH).
О текущем состоянии каждого из них можно судить по индикаторным светодиодам, расположенным на плате. К каждому реле подведён клеммник на 3 провода, что позволяет использовать реле как в режиме "нормально разомкнутое", так и в режиме "нормально замкнутое".
В отличие от большиства модулей реле для Arduino, данная плата сделана в формате шилда, что значительно эконимит место и увеличивает надежность контакта между Arduino и реле.
Характеристики реле
Ток обмотки: 80 мА;
Максимальное коммутируемое напряжение: 24 В постоянного тока; 125 В переменного тока;
Максимальный коммутируемый ток: 3 А;
Рекомендованная частота переключения: до 1 Гц;
Время жизни: не менее 50 000 переключений.
Рассмотрим пример использования Relay Shield. Подключим к реле лампу освещения, которая будет включаться/выключаться в зависимости от освещенности помещения. В качестве датчика освещенности помещения будем использовать фоторезистор. Схема соединений.
// Используемый вывод для реле
#define PIN_RELAY 7
// Пин подключения фоторезистора
#define PIN_PHOTORESISTOR A0
// переменная для хранения показаний фоторезистора
int val_photo;
// граничное значение освещенности
#define VAL_PHOTO_ON 220
#define VAL_PHOTO_OFF 520
Void setup(void)
{
// подключение последовательного порта
Serial.begin(9600);
// настроить вывод реле как OUTPUT
pinMode(PIN_RELAY,OUTPUT);
// включить свет
digitalWrite(PIN_RELAY,LOW);
}
void loop(void)
{
// получение данных с фоторезистора
val_photo=analogRead(PIN_PHOTORESISTOR);
// включить
if(val_photo< VAL_PHOTO_ON)
digitalWrite(PIN_RELAY,LOW);
// выключить
else if(val_photo< VAL_PHOTO_OFF)
digitalWrite(PIN_RELAY,HIGH);
// пауза перед следующим измерением
delay(5000);
