Включение реле с помощью микроконтроллера atmega. Устройство и примеры применения реле, как выбрать и правильно подключить реле. Подключение нагрузки через транзистор
Коммутация - это включение или выключение электроприбора в сеть. Для этого используют разъединители, выключатели, автоматические выключатели, реле, контакторы, пускатели. Последние три (реле, контактор и магнитный пускатель) подобны по своему строению, но предназначены для разных мощностей нагрузки. Это электромеханические коммутационные устройства. У новичков часто возникают вопросы типа:
«Для чего у реле столько контактов?»;
«Как заменить реле, если нет подобного по расположению выводов?»;
«Как подобрать реле?».
Я постараюсь ответить на все эти вопросы в статье.
Для чего нужно реле?
Чтобы включить нагрузку нужно подать на её выводы напряжение, оно может быть постоянным и переменны, с разным количеством фаз и полюсов.
Напряжение можно подать несколькими способами:
Разъёмное соединение (вставить вилку в розетку или штекер в гнездо);
Разъединителем (как вы включаете свет в комнате, например);
Через реле, контактор, пускатель или полупроводниковый коммутационный прибор.
Первые два способа ограничены как по максимальной коммутационной мощности, так и по расположению точки подключения. Это удобно, если свет или прибор вы включаете выключателем или автоматом при этом и они расположены рядом друг с другом.
Для примера, приведу ситуацию, например (бойлер) - это достаточно мощная нагрузка (1 - 3 и более кВт). Ввод электроэнергии в коридоре, и там же на электрощите у вас расположен автомат включения бойлера, тогда вам нужно протянуть кабель сечением 2.5 кв. мм. На 3-5 метров. А если вам нужно включить такую нагрузку на большом расстоянии?
Для удаленного управления можно использовать такой же разъединитель, но чем больше расстояние - тем большим получится сопротивление кабеля, значит, нужно будет использовать кабеля с большим сечением, а это дорого. Да и если кабель оборвется - непосредственно на месте включить прибор уже не получится.
Для этого можно использовать реле, которое установлено непосредственно возле нагрузки, а включать его удаленно. Для этого не нужен толстый кабель, ведь сигнал управления обычно от единиц до десятков ватт, при этом может включаться нагрузка в несколько киловатт.
Выключатели и разъединители - нужны для ручного включения нагрузки, для того, чтобы управлять ею автоматически, нужно использовать реле или полупроводниковые приборы.
Сферы применения реле:
Системы охраны;
Для удаленного включения.
Схемы защиты электроустановок. Для автоматического ввода энергии защиты от низких и высоких напряжений, Реле тока - для срабатывания токовых защит, разрешения пуска электрических машин и пр.;
Автоматика;
Как работает реле?
Электромагнитное реле состоит из катушки, якоря и набора контактов. Набор контактов может быть разным, например:
Реле с одной парой контактов;
С двумя парами контактов (нормально-замкнутые - NC, и нормально-разомкнутые - NO);
С несколькими группами (для управления нагрузкой в независимых друг от друга цепях).
Катушка может быть рассчитана на разную величину постоянного и переменного тока, вы можете подобрать под свою схему, чтобы не использовать дополнительный источник для управления катушки. Контакты могут коммутировать как постоянный, так и переменный ток, величина тока и напряжения обычно указана на крышке реле.
Мощность нагрузки зависит от коммутационной способности аппарата обусловленного его конструкцией, на мощных электромагнитных коммутационных устройствах присутствует дугогасительная камера, для управления мощной резистивной и индуктивной нагрузкой, например электродвигателем.
Работа реле основана на работе магнитного поля. Когда на катушку подаётся ток, то силовые линии магнитного поля пронизывают её сердечник. Якорь изготовлен из материала, который магнитится и он притягивается к сердечнику катушки. На якоре может быть размещена контактная медная пластика и гибкая подводка (провод), тогда якорь находится под напряжением и по медным шинам подаётся напряжение на неподвижный контакт.
Напряжение подключается к катушке, магнитное поле притягивает якорь, он замыкает или размыкает контакты. Когда напряжение пропадает - якорь возвращается в нормальное состояние возвратной пружиной.
Могут быть и другие конструкции, например, когда якорь толкает подвижный контакт, и он переключается от нормального состояния к активному, это изображено на картинке ниже.
Итог: Реле позволяет малым током через катушку управлять большим током через контакты. Величина управляющего и коммутируемого (через контакты) напряжения может быть разная и не зависит друг от друга. Таким образом мы получаем гальванически развязанное управление нагрузкой. Это даёт существенное преимущество перед полупроводниками. Дело в том, что сам по себе транзистор или тиристор он не развязан гальванически, даже более того непосредственно связан.
Токи базы это часть тока коммутируемой через эмиттер-коллектор цепи, в тиристоре, в принципе, ситуация подобна. Если PN-переход повреждается - напряжение включаемой цепи может попасть на цепь управления, если это кнопка - ничего страшного, а если это микросхема или - они, скорее всего, тоже выйдут из строя, поэтому реализуется дополнительная гальваническая развязка через оптопару или трансформатор. А чем больше деталей - тем меньше надежность.
Преимущества реле:
простота конструкции;
ремонтопригодность. вы можете провести ревизию большинства реле, например, подчистить контакты от нагара и оно заново заработает, а при определенной сноровке можно заменить катушку или подпаять её выводы если они оторвались от выходящих контактов;
полная гальваническая развязка силовой цепи и цепи управления;
низкое переходное сопротивление контактов.
Чем ниже сопротивление контактов, тем меньше теряется напряжения на них и меньше нагрев. Электронные реле выделяют тепло, чуть ниже я бегло расскажу о них.
Недостатки реле:
из-за того, что конструкция по сути механическая - ограниченное число срабатываний. Хотя для современных реле оно доходит до миллионов срабатываний. Так что сомнительный момент недостаток.
скорость срабатывания. Электромагнитное реле срабатывает за доли секунды, в то время как полупроводниковые ключи могут переключаться миллионы раз в секунду. Поэтому нужно подходить с умом к выбору коммутационной аппаратуры.
при отклонениях от управляющего напряжения может быть дребезжание реле, т.е. состояние, когда ток через катушку мал, для нормального удержания якоря, и оно «жужжит» открываясь и закрываясь с большой скоростью. Это чревато скорым выходом его из строя. Отсюда вытекает следующее правило - для управления реле аналоговый сигнал должен подаваться через пороговые устройства, типа триггера Шмидта, компаратора, микроконтроллера и т.д.;
Щелкает при срабатывании.
Характеристики реле
Чтобы правильно подобрать реле нужно учесть ряд параметров, который описывает его особенности:
1. Напряжение срабатывания катушки. 12 В реле не будет устойчиво работать или не включится совсем если вы на его катушку подадите 5 В.
2. Ток через катушку.
3. Количество контактных групп. Реле может быть 1-канальным, т.е. содержать 1 коммутационную пару. А может и 3-канальным, что позволит подключать 4 полюса к нагрузке (например, три фазы 380В)
4. Максимальный ток через контакты;
5. Максимальное коммутируемое напряжение. У одного и того же реле оно различное для постоянного и переменного токов, например 220 В переменного и 30 В постоянного. Это связано с особенностями дугообразования при коммутации разных электроцепей.
6. Способ монтажа - клеммные колодки, вывод для клемм, пайка в плату или .
Электронные реле
Обычное электромагнитное реле при срабатывании щелкает, что может мешать вам при использовании таких приборов в бытовых помещениях. Электронное реле, или как его еще называют , лишено этого недостатка, но оно выделяет тепло, т.к. в качестве ключа используется транзистор (для реле постоянного тока) или симистор (для реле переменного тока). Кроме полупроводникового ключа в электронном реле установлена обвязка для обеспечения возможности управления ключом нужным управляющим напряжением.
Такое реле для управления использует постоянное напряжение от 3 до 32, а коммутирует переменное от 24 до 380 В с током до 10 А.
Преимущества:
малое потребление управляющего тока;
отсутствия шума при переключении;
больший ресурс (миллиард и больше срабатываний, а это в тысячу раз больше чем у электромагнитного).
Недостатки:
может сгореть от перегрева;
дороже стоит;
если сгорит - отремонтировать не получится.
На картинке ниже хорошо изображена схема подключения реле к сети и нагрузке. На один из силовых контактов подключают фазу, на второй нагрузку, а ноль на второй вывод нагрузки.
Так собирается силовая часть. Цепь управления собирается так: источник питания, например аккумулятор или блок питания, если реле управляемое постоянным током, через кнопку подключается к катушке. Для управления реле переменного тока схема аналогична, на катушку подается переменное напряжение нужной величины.
Здесь очевидно, что напряжение управления никак не зависит от напряжения в нагрузке, тоже и с токами. Ниже вы видите схему управления активаторами центрального замка автомобиля с двухполярым управлением.
Задача следующая, чтобы активатор совершил движение вперед нужно подключить плюс и минус к его соленоиду, чтобы сдвинуть его назад - полярность нужно сменить. Это сделано с помощью двух реле с 5-ю контактами (нормально-замкнутый и нормально-разомкнутый).
Когда напряжение подаётся на левое реле, плюс подается на нижний провод (по схеме) активатора, через нормально-замкнутые контакты правого реле верхний провод активатора подключен к отрицательному выводу (к массе).
Когда напряжение подано на катушку правого реле, а левое обесточено, полярность получается обратной: плюс через нормально-разомкнутый контакт правого реле подаётся на верхний провод. А через нормально-замкнутые контактны правого реле - нижний провод активатора соединен с массой.
Этот частный случай я привел для примера того, что с помощью реле можно не только включать напряжение на нагрузку, но и осуществлять разнообразные схемы подключения и переполюсовки.
Как подключить реле к микроконтроллеру
Чтобы управлять нагрузкой переменного тока через микроконтроллер удобно использовать реле. Но возникает небольшая проблема: ток потребления реле зачастую превышает максимальный ток через пин микроконтроллера. Чтобы её решить - нужно усилить ток.
На схеме изображено подключение реле с катушкой на 12В. Здесь транзистор VT4 обратной проводимости, он играет роль усилителя тока, резистор R нужен для ограничения тока через базу (устанавливается так, чтобы ток был не более чем максимальный ток через пин микроконтроллера).
Резистор в цепи коллектора нужен для того, чтобы задать ток катушки, подбирается по величине тока срабатывания реле, в принципе, его можно исключить. Параллельно катушке установлен обратный диод VD2 - он нужен, чтобы всплески самоиндукции не убили транзистор и выход микроконтроллера. С диодом всплески отправятся в сторону источника питания, и энергия магнитного поля прекратит свою работу.
Ардуино и реле
Для любителей есть готовые релейные шилды и отдельные модули. Чтобы обезопасить выходы микроконтроллера в зависимости от конкретного модуля может быть реализована опторазвязка управляющего сигнала, что значительно увеличит надёжность схемы.
Схема подобного модуля вот:
Мы говорили о характеристиках реле, так вот они часто указаны в маркировке на передней крышке. Обратите внимание на фото релейного модуля:
10A 250VAC - значит что способно управлять нагрузкой переменного напряжения до 250В и с током до 10 А;
10A 30VDC - для постоянного тока напряжение в нагрузке не должно превышать 30В.
SRD-05VDC-SL-C - маркировка, зависит от каждого произовдителя. В ней мы видим 05VDC - это значит, что реле сработает от напряжения в 5В на катушке.
При этом у реле есть нормально открытый контакты, всего 1 подвижный контакт. Схема подключения к ардуине изображена ниже.
Заключение
Реле это классический коммутационный прибор который используется везде: пультах управления в щитовых промышленных цехов, в автоматике, для защиты оборудования и человека, для избирательного подключения конкретной цепи, в лифтовом оборудовании.
Начинающему электрику, электронщику или радиолюбителю очень важно научиться использовать реле и составлять схемы с ними, так вы можете применять их в работе и хозяйстве, реализуя релейные алгоритмы без применения микроконтроллеров. Это хоть и увеличит габариты, но значительно улучшит надежность схемы. Ведь надежность это не только долговечность, но и безотказность и ремонтопригодность!
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.):
- Катушка
- Сердечник
- Якорь
- 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:
- 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).
- Напряжение катушки (то есть какое напряжение надо подать на катушку, чтобы якорь надёжно примагнитился к сердечнику).
- Ток потребления катушки.
- Номинальный ток контактов (то есть ток через контакты реле, при котором они будут работать без повреждения в течение длительного времени).
- Время срабатывания реле. То есть сколько времени требуется на примагничивание якоря.
- 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:
- 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.
- 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.
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.
В этой статье рассматриваются важные драйверы и правильные схемы, необходимые для безопасного подключения внешних устройств к вводу/выводу MCU (микроконтроллер, англ. - Microcontroller Unit, MCU).
Введение
Как только у вас возникнет идея для проекта, очень заманчиво перейти прямо к подключению Arduino к схемам и устройствам, таким как светодиоды, реле и динамики. Однако делать это без правильной схемы может оказаться фатальным для вашего микроконтроллера.
Многие устройства ввода/вывода потребляют много тока (> 100 мА), которые большинство микроконтроллеров не могут обеспечить в безопасном режиме, а когда они пытаются обеспечить такое количество тока, они часто ломаются. Здесь нам на помощь приходят специальные схемы, которые называются «драйверы» (англ. - drivers). Драйверы - это схемы, которые могут принимать небольшой слабый сигнал от микроконтроллера, а затем использовать этот сигнал для управления каким-либо энергопотребляющим устройством.
Для правильной работы микроконтроллеров с внешними устройствами иногда требуются специальные схемы. Эти внешние устройства включают:
- Цепи драйвера
- Схемы защиты входа
- Схемы защиты выхода
- Цепи изоляции
Итак, давайте посмотрим на некоторые из этих схем и на то как они работают!
Простой светодиодный (LED) драйвер
Эта простая схема удобна для управления светодиодами с высоким энергопотреблением с помощью микроконтроллеров, где выход микроконтроллера подключен к «IN».
Когда микроконтроллер выводит 0, транзистор Q1 отключается, а также светодиод D1. Когда микроконтроллер выводит 1, транзистор включается, и поэтому D1 также включается. Значение R1 зависит от выходного напряжения вашего микроконтроллера, но значения между 1KΩ ~ 10KΩ часто работают хорошо. Значение R2 зависит от размера нагрузки, которую вы питаете, и эта схема подходит для питания устройств до 1А и не более.
Простой релейный драйвер
Устройствам, которые потребляют более 1 А тока и будут включаться и выключаться раз в несколько секунд, лучше подойдут реле.
Хотя реле достаточно просты (небольшой электромагнит, который привлекает металлический рычаг для замыкания схемы), они не могут управляться непосредственно микроконтроллером.
Для обычных реле требуются токи около 60 мА ~ 100 мА, что слишком много для большинства микроконтроллеров, поэтому реле требуют схему с использованием управления транзистором (как показано выше). Однако вместо резистора, который необходимо использовать для ограничения тока, требуется обратный диод защиты (D1).
Когда микроконтроллер (подключенный к «IN»), выдает 1, тогда включается транзистор Q1. Это включает реле RL1, и в результате загорается лампа (R2). Если микроконтроллер выводит 0, то транзистор Q1 отключается, что отключает реле, и поэтому лампа выключается.
Реле очень часто встречаются в схемах, требующих переключения цепей электропитания переменного тока, и доступны для переключения 230В и 13А (подходит для тостеров, чайников, компьютеров и пылесосов).
Кнопки
При подключении кнопки к микроконтроллеру могут иногда возникнуть простые проблемы. Первая (и самая раздражающая проблема) возникает в виде отскока, когда кнопка посылает много сигналов при нажатии и отпускании.
Кнопки обычно представляют собой кусок металла, который при контакте соприкасается с каким-то другим металлом, но когда кнопки вступают в контакт, они часто отскакивают (хотя они чаще всего крошечные). Этот отскок означает, что кнопка соединяется и отключается несколько раз, прежде чем зафиксироваться, а в итоге - результат, который ненадолго выглядит случайным. Поскольку микроконтроллеры очень быстрые, они могут поймать этот отскок и выполнять события нажатия кнопки несколько раз. Чтобы избавиться от отскока, можно использовать схему ниже. Схема, показанная здесь, представляет собой очень тривиальную схему, которая хорошо работает и проста в построении.
Защита входа: напряжение
Не все устройства ввода будут дружественными к вашему микроконтроллеру, а некоторые источники могут даже нанести ущерб. Если у вас есть источники входного сигнала, которые поступают из окружающей среды (например, датчик напряжения, датчик дождя, человеческий контакт) или источники входного сигнала, которые могут вывести напряжения, превышающие то, что может обрабатывать микроконтроллер (например, цепи индуктора), тогда вам потребуется включать некоторую защиту ввода напряжения. Схема, показанная ниже, использует 5V стабилитронов для ограничения входных напряжений, так что входное напряжение не может превышать 5 В и ниже 0 В. Резистор 100R используется для предотвращения слишком большого тока, когда диод Зенера захватывает входное напряжение.
Защита ввода/вывода: ток
Входы и выходы микроконтроллеров иногда могут быть защищены от слишком большого тока. Если устройство, такое как светодиод, потребляет меньше тока, чем максимальный выходной ток от микроконтроллера, тогда светодиод может быть напрямую подключен к микроконтроллеру. Тем не менее, последовательный резистор будет по-прежнему необходим, как показано ниже, а общие значения последовательных резисторов для светодиодов включают в себя 470 Ом, 1 кОм и даже 2,2 кОм. Серии резисторов также полезны для входных контактов в редких случаях, когда неисправны контакты микроконтроллеров или входное устройство испытывает всплеск выходного тока.
Преобразователи уровня
В прошлом большинство сигналов в цепи работало бы на одном и том же напряжении, и это напряжение обычно составляло 5 В. Однако с увеличением технологических возможностей современной электроники снижается напряжение на новых устройствах. Из-за этого многие схемы включают смешанные сигналы, в которых более старые части могут работать при напряжении 5 В, в то время как более новые части работают при напряжении 3,3 В.
Хотя многие радиолюбители предпочли бы использовать один уровень напряжения, правда состоит в том, что более старые 5-вольтовые части могут не работать на 3,3 В, в то время как более новые устройства 3,3 В не могут работать при более высоком напряжении 5 В. Если устройство 5V и устройство 3.3V хотят общаться, то требуется сдвиг уровня, который преобразует один сигнал напряжения в другой. Некоторые устройства с напряжением 3,3 В имеют 5 В "толерантность", что означает, что сигнал 5 В может напрямую подключаться к сигналу 3,3 В, но большинство устройств 5 В не могут переносить 3.3 В. Чтобы охватить оба варианта, приведенные ниже схемы показывают преобразование от 5 до 3,3 В и наоборот.
Изоляция: Оптоизолятор
Иногда схема, с которой должен взаимодействовать микроконтроллер, может представлять слишком много проблем, таких как электростатический разряд (ESD), широкие колебания напряжения и непредсказуемость. В таких ситуациях мы можем использовать устройство, называемое оптоизолятором, которое позволяет двум цепям общаться, не будучи физически соединенными друг с другом с помощью проводов.
Оптоизоляторы взаимодействуют с использованием света, когда одна цепь излучает свет, который затем обнаруживается другой схемой. Это означает, что оптоизоляторы не используются для аналоговой связи (например, уровни напряжения), но вместо этого для цифровой связи, где выход включен или выключен. Оптоизоляторы могут использоваться как для входов, так и для выходов на микроконтроллеры, где входы или выходы могут быть потенциально опасны для микроконтроллера. Интересно, что оптоизоляторы также могут использоваться для смещения уровня!
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.
