Tento článek bude pojednávat o nejzákladnějších komponentách automatizace, jimiž jsou spínací prvky. V článku si popíšeme jejich funkci a možnosti, a také to, jak je přimět pracovat s Arduinem. Spínací prvek bude řízen mikroprocesorem (Arduinem), přičemž použijeme LED diody + rezistory jako spínanou zátěž. Zabývat se budeme hardwarem jako jsou relé, vícekanálová relé, SSR relé, tranzistory či tranzistorová pole.
Jednokanálový relé modul
Jednokanálových relé modulů můžete v našem obchodě najít hned několik, a to v různých variantách. Například opticky oddělené relé (1517442331), dálkově ovládané relé (1500635979), relé s časovačem zpoždění (1458425250) atd. Tyto moduly jsou v principu stejné, ale liší se několika parametry. Nejenže se každý ovládá trochu jiným způsobem, ale liší se mezi sebou především ve vstupním/výstupním napětí či hodnotou maximálního spínaného elektrického proudu.
Řízení, zapojení a ukázka
Velmi důležitým aspektem je řízení modulu. Některý lze ovládat mikroprocesorem (dále MCU) a některý zase např. dálkovým ovladačem, bez nutnosti využití vývojové platformy. Nicméně, pojďme se v tomto článku zaobírat ovládáním relé pomocí MCU. Relé se ovládá naprosto totožně jako například rozsvícení a zhasínání LED diody. Pokud je výstupní pin, ke kterému je připojena LED dioda, HIGH (čili 5 V u Arduina Uno), začne dioda svítit. Pokud je tomu naopak, tedy LOW (čili 0 V), dioda zase zhasne. Stejně je tomu tak i s relé, jen s tím rozdílem, že některé moduly mohou mít obrácenou logiku řízení. To znamená, že se relé může spínat v 0 V (LOW) a naopak se rozepínat v 5 V (HIGH). Zdá se to jednoduché? Ono to také jednoduché je. Na Obrázku 1 si můžete všimout názorného zapojení.
Obrázek 1: Zapojení jednokanálového relé
V tomto případě relé spojuje/rozpojuje vodič, který vede do GND. Pokud relé sepne (NO/COM), spojí se obvod a LED dioda začne svítit. Zapojení led je následovné. Na anodu LED diody (+ delší nožička) je přivedeno 5 V na katodu je připojen 330R rezistor, jehož druhá nožička vede přes relé do GND.
#define RELE_PIN 3
void setup() {
pinMode(RELE_PIN, OUTPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(RELE_PIN, HIGH); //relé1 rozepnuto (záleží také na typu)
delay(1000); //1 s čekání
digitalWrite(RELE_PIN, LOW); //relé1 sepnuto (záleží také na typu relé)
delay(1000); //1 s čekání
}
Program (firmware) je naprosto stejný jako příklad k rozsvícení a následné zhasnutí LED diody. To znamená, že se bude relé spínat a zase rozepínat v intervalu jedné sekundy.
Relé modul 1420496437 je jeden z nejzákladnějších, tudíž pro nováčky snadno aplikovatelný. Obsahuje jen samotné relé s přídavnými svorkami a obvod, který ho v závislosti na vstupním pinu (IN1) spíná či rozepíná.
Ještě si povíme něco k základním specifikacím modulu. Vstupní napájecí napětí modulu (jinými slovy napájení obvodu, který relé řídí) je 5 V. Při sepnutí relé se proudový odběr vyšplhá až k 60 mA. Samotné relé je schopno spínat až 250 VAC (střídavé napětí) nebo 30 VDC (stejnosměrné napětí) s průtokem proudu až 10 A. Jelikož je relé osazeno na DPS (desce plošných spojů), bývá ve většině případů snížena hodnota povoleného maximálního spínaného proudu (např. na 3 A).
Pokud vidíte relé úplně poprvé, asi si kladete otázku, co znamená označení NO, COM a NC na výstupních svorkách (kontaktech). COM je kontakt (z angl. „common“), na který musí být zátěž připojena vždy. NO (normaly open) je kontakt, který je v klidovém stavu rozpojen proti kontaktu COM. NC (normaly closed) je logicky protiklad k NO, tedy že je v klidovém stavu spojen s kontaktem COM. Z toho vyplývá, že si můžete sami nastavit, v jakém případě bude zátěž sepnuta (rozepnuté či sepnuté relé – NC+COM / NO+COM).
Pro zajímavost: Princip funkce relé
Princip fungování relé je poměrně jednoduchý. Přepínací obvod se skládá z cívky navinuté na jádru feromagnetického materiálu. Dále je obvod opatřen kotvou a pružinou. Kotva se díky pružině v klidovém stavu nedotýká vodivé plochy. Ke kontaktu s vodivou plochou dojde tehdy, když je cívka připojena na elektrický zdroj. Poté proud v cívce vyvolá magnetický tok. V tomto momentu vzniká přitažlivá magnetická síla, která přemůže pružinu a přitiskne kotvu ke kontaktu. Relé je sepnuto.
Vícekanálový relé modul
Nyní si vyzkoušíme modul 1500636006, který obsahuje relé hned dvě. V čem je rozdíl oproti jednokanálovému modulu? V principu vůbec žádný, jenom nám přibyl další ovládací pin (nyní IN1 a IN2) a další relé osazené na desce modulu. Co to znamená? Nyní jsme schopni spínat dvě zátěže nezávisle na sobě. Jako bonus má tento modul ještě nastavitelnou logiku spínaní (vizte kapitolu s jednokanálovým relé). Navíc je modul osazen optočleny (optické oddělení), které elektricky oddělují obvody relé s obvodem řídící elektroniky (Arduinem) a plní ochrannou funkci. Na Obrázku 2 je vyobrazeno zapojení dvoukanálového relé, které spíná dvě LED diody.
Modul 1500636006 obsahuje stejná relé, jako jednokanálový modul v předešlém odstavci. Technické parametry jsou tudíž prakticky totožné. Stejně je tomu tak i v případě vstupního napájení modulu, které je 5 V. Jen proudový odběr modulu se zvýšil cca na 100 mA (v případě, že jsou sepnuty obě relé najednou).
Obrázek 2: Zapojení dvoukanálového relé
#define RELE1_PIN 3
#define RELE2_PIN 4
void setup() {
pinMode(RELE1_PIN, OUTPUT);
pinMode(RELE2_PIN, OUTPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(RELE1_PIN, HIGH); //relé1 rozepnuto (záleží také na typu)
delay(1000); //1 s čekání
digitalWrite(RELE2_PIN, HIGH); //relé2 rozepnuto (záleží také na typu)
delay(1000); //1 s čekání
digitalWrite(RELE1_PIN, LOW); //relé1 sepnuto (záleží také na typu relé)
delay(1000); //1 s čekání
digitalWrite(RELE2_PIN, LOW); //relé2 sepnuto (záleží také na typu relé)
delay(1000); //1 s čekání
}
SSR relé (solid state relay)
Nyní se pobavíme o takzvaném solid state relay. Hlavní rozdíl oproti klasickému relé je takový, že se jedná o polovodičový spínací prvek. SSR totiž neobsahuje žádné pohyblivé části jako relé klasické. To redukuje hluk a čas, za jaký je relé schopno sepnout (vyšší spínací frekvence) a zároveň má vyšší životnost. Mírnou nevýhodou může být vyšší odpor kontaktů v sepnutém stavu, díky čemu se může více zahřívat. Tento typ spínacího zařízení najde uplatnění pouze při spínání střídavého proudu (nelze spínat stejnosměrnou zátěž). Lze jej využít pro spínání čerpadel, topných spirál, kompresorů atd. Na Obrázku 3 můžete vidět názorné zapojení.
Obrázek 3: Zapojení SSR
Na ukázce je zobrazeno spínání relé pomocí Arduina. Firmware bude vypadat úplně stejně jako v případě jednokanálového relé. V tomto případě jsme použili PIN 13 (na kterém je na Arduinu připojena také indikační LED dioda). Pokud Vám tento pin z nějakého důvodu nevyhovuje, lze jej libovolně změnit. Relé se sepne, pokud bude příslušný výstupní pin HIGH, tedy 5 V.
V naší nabídce můžete nalézt například SSR moduly 1466628529 nebo 1466629700.
Modul s MOSFET tranzistorem
Unipolární MOSFET tranzistor je další z řady polovodičových spínacích prvků. Dnes jsou tranzistory tohoto typu velmi populární a používají se téměř ve veškeré moderní elektronice. Vyznačují se zejména svou dlouhou životností, nulovou úrovní hluku při spínání a rychlostí sepnutí. Největší výhodou oproti standardním relé je, že pro uvedení tranzistoru do vodivého stavu je potřeba velmi malý proud a napětí. Hlavní nevýhodou je nemožnost spínání střídavého napětí (určeno pouze pro DC zátěž). Existují dva hlavní typy těchto součástek, a to tranzistory s kanálem N a P.
V naší nabídce se nacházejí moduly, které jsou osazeny právě popsaným MOSFET tranzistorem (např. 1449937609). Fungují v zásadě jako přepínače, ale také jako regulace zátěže pomocí pulsně šířkové modulace (PWM). To znamená, že je tento modul schopen spínat i DC motory nebo například regulovat svit LED diody. O funkci s PWM si povíme v jiném článku.
Modul je schopen spínat zátěž v napěťovém rozsahu od 0 do 24 VDC s proudovým odběrem až cca 6 A při teplotě tranzistoru 100 °C. Na vstupní piny VIN+ a GND se přivede napětí určené pro zátěž. Na piny V+ a V– se poté připojí ona zátěž. Řídící prvek, tedy libovolné MCU, se připojí k GND a řídící vodič k pinu SIG (signál). Pin VCC nemusí být zapojen, jelikož modul je napájen napětím signálového pinu. Na Obrázku 4 je demonstrován příklad zapojení, které opět pracuje s LED diodu.
Obrázek 4: Zapojení modulu s MOSFET tranzisotrem
NPN tranzistor
V tomto následujícím příkladu si ukážeme zapojení bipolárního NPN tranzistoru BC547, který můžete v naší nabídce nalézt pod kódem 1449933964. K zapojení, které je vyobrazeno na Obrázku 5, budeme potřebovat opět LED diodu a tentokrát dva kusy 330R rezistorů. Programování je opět velmi jednoduché, lze použít kód pro relé modul uvedený v první části.
Technických data k tranzistoru BC547 jsou následující. Napětí mezi kolektorem a emitorem může být až 45 V. Proud na kolektoru až 100 mA. Napětí mezi emitorem a bází můe být až 6 V. Naopak napětí mezi kolektorem a bází až 50 V. Výkonové ztráty tranzistoru se pohybují okolo 625 mW a tranzistor běží na frekvenci 300 MHz.
Obrázek 5: Zapojení NPN tranzistoru
Pro zajímavost: low-side a high-side zapojení
Existují dva způsoby, jak zapojit tranzistor za účelem spínání zátěže, a to jako low-side nebo high-side přepínač. V případě high-side (zapojení na přechozím obrázku) zapojení je zátěž umístěna mezi MOSFET tranzistor s P kanálem (nebo tranzistor PNP) a GND. V opačném případě, tedy low-side zapojení, je zátěž umístěna mezi zdroj napětí a MOSFET tranzistor s N kanálem (nebo tranzistor NPN).
Tranzistorové pole
Nyní se vrátíme ke spínání více prvků (zátěží) nezávisle na sobě. K tomuto účelu nám dobře poslouží nejen vícekanálové relé, ale také tranzistorové pole. Jednoduše řečeno, tranzistorové pole se skládá z 8 tranzistorů. Zapojení probíhá prakticky totožně jako v ostatních případech, jen můžeme použít o poznání více LED diod. Pokud jste si přečetli odstavce výše, jistě budete schopni naprogramovat i tento obvod. Princip je naprosto stejný. Stačí jen zadefinovat další signálové piny. Samozřejmě obvod není určen jenom ke spínání, nýbrž může také řídit DC motory atd., ale tím se budeme zabývat jindy.
V našem obchodě můžete nalézt například tento produkt 1449885085. Vyznačuje se 8 kanály, vstupním napětím až 50 V a výstupním proudem až 500 mA. Pracovní teplota se pohybuje od –20 do 85 °C.
K sestavení zapojení, které je popsáno na Obrázku 6, budete potřebovat tranzistorové pole ULN2803 (1449885085), 6 LED diod a 6 330R rezistorů + více vodičů a libovolné Arduino.
Obrázek 6: Zapojení tranzistorového pole
Nyní již víte základní informace o spínacích prvcích a nic Vám nebrání si je objednat v našem obchodě a řádně je vyzkoušet.