Механические реле общего применения в схемах на микроконтроллере

February 18, 2014 by admin Комментировать »

«Автоматическое устройство, скачкообразно изменяющее двух или трёхпозиционное электрофизическое состояние контактного или бесконтактного выхода, вследствие непрерывного или дискретного управляющего воздействия». Непосвящённый человек никогда не догадается, что речь идёт об обычном реле! Становится жаль студентов, которым придётся заучивать столь невразумительный набор слов, претендующий на право войти в учебники…

Электрическое реле — это одно из самых простых и логически понятных устройств. Если напряжение на реле подано, то его контакты замыкаются, если напряжение отсутствует, то размыкаются (или наоборот). Стоит отметить, что существуют так называемые «поляризованные» или «импульсные» реле, которые переключаются подачей на управляющую обмотку не постоянного напряжения, а знакопеременного импульса тока, но об этом разговор пойдёт позже.

Первое в мире коммутационное реле разработал знаменитый С.Морзе и применил его в своём телеграфном аппарате образца 1837 г. До этого уже были известны конструкции «некоммутационного» типа. В частности, Дж.Генри чуть раньше создал электромагнитный контакторный коммутатор (релейный усилитель) для звукового телеграфа, но в нём не было якоря и замыкающих контактов.

Слово «реле» происходит от английского «relay», что подразумевает замену (т.е. усиление) ослабленного тока в электромагнитном усилителе Генри по аналогии с заменой уставших почтовых лошадей или спортсменов, передающих эстафету.

С классификацией электрических реле возникают трудности, поскольку разные фирмы-изготовители ставят во главу угла разные маркетинговые признаки, считая их наиболее ценными для потребителя. В качестве примера в Табл. 2.17 приведено разделение, принятое на фирме ZETTLER Electronics.

Таблица 2.17. Параметры механических реле общего назначения

Для сравнения, в фирме OMRON придерживаются другой классификации реле: сигнальные (ток до 3 А), силовые (ток до 30 А), автомобильные (ток до 70 А), высокочастотные, реле для промышленной автоматики. Ещё один вариант разделения реле можно найти в каталогах фирмы Relpol: миниатюрные, малогабаритные, сигнальные, интерфейсные, автомобильные.

В радиолюбительских конструкциях чаще всего применяются маломощные низковольтные реле с рабочим напряжением 3…12 В и с током коммутации до 2 А. Изредка бывает потребность в использовании автомобильных реле, а также мощных реле, рассчитанных на работу с переменным напряжением 220 В.

Строго говоря, реле управляется не напряжением, а током, поэтому в даташах регламентируются два главных параметра: ток срабатывания и ток отпускания. Первый из них по абсолютной величине больше второго с разницей в 5…10 раз.

Для ориентира, сопротивление обмотки типового реле с рабочим напряжением 5 В составляет 100… 110 Ом, с напряжением 12 В — 400…600 Ом.

Число коммутаций современных миниатюрных реле достигает 105…106 при максимальном токе и 106…108 при малых рабочих токах. Первый показатель характеризует электрический, а второй — механический ресурс службы. Самый тяжёлый режим для любых реле наступает при коммутации индуктивных нагрузок, при этом износоустойчивость снижается примерно в 2 раза.

По типу и числу групп контактов различают четыре разновидности реле, которые обозначаются также, как и механические переключатели (Рис. 2.110).

Рис. 2.110. Буквенные и графические обозначения групп контактов реле.

Схемы подключения механических реле к MK можно условно разделить на «низковольтные» (Рис. 2.111, а…з) и «высоковольтные» (Рис. 2.112, a…n), Отдельно на Рис. 2.113, a…H показаны различные варианты «обвязки» реле, применимые как к «низковольтным», так и к «высоковольтным» схемам.

Рис. 2.111. Схемы подключения «низковольтных» механических реле к MK (начало):

а) прямое подключение реле K1 к МК  допускается, если ток его срабатывания не превышает 20…25 мА. Резистор R1 снижает амплитуду колебаний, возникающих в момент коммутации. Диод VD1 подавляет ЭДС самоиндукции обмотки реле. Он должен иметь допустимое обратное напряжение, в 3…4 раза превышающее напряжение питания, а также запас по току;

б) резисторы R1…R4равномерно распределяют нагрузку по всем четырём выходам MK. Здесь и далее диод VD1 лучше ставить с барьером Шоттки для снижения амплитуды бросков напряжения в цепи питания. Необязательный конденсатор C1 уменьшает ВЧ-помехи (радиопомехи);

 Рис. 2.111. Схемы подключения «низковольтных» механических реле к MK (окончание):

в) классическая схема подключения реле K1 к MK через буферный транзистор VT1. Рабочее напряжение реле K1 должно равняться напряжению источника питания +3…+5 В. Диод VD1 защищает транзистор VT1 от скачков напряжения, вызванных ЭДС самоиндукции реле. Диод может отсутствовать, если транзистор достаточно высоковольтный, а источник питания эффективно гасит импульсные помехи, т.е. имеет низкий импеданс и стабилизатор с обратной связью. Резистор R2 закрывает транзистор VT1 во время рестарта MK. Конденсатор C1 ставят при наличии мощных помех для исключения ложных срабатываний. Транзистор VT1 выбирается по току коллектора: 7KMIN[MA] = (ГСС[В] –  БЭ[В])-Л21Э/( i[кОм]-АГн), где 1/БЭ = 0.65…0.75 В — напряжение «база — эмиттер» открытого транзистора; Кн = 1.1…1.4 — коэффициент насыщения; h213 — коэффициент усиления транзистора по току; Vcc = 5 В — напряжение питания MK;

г) аналогично Рис.2.111, в, но с ключом на полевом транзисторе VT1, который имеет более низкое сопротивление в открытом состоянии. Резистор R1 низкоомный, чтобы ускорить разряд входной ёмкости затвора. Резистор R2 ставят для уменьшения амплитуды колебательных процессов, т.е. для снижения добротности катушки индуктивности реле K1;

д) резистор R3 адаптирует «трёхвольтовое» реле K1 к напряжению питания +5 В;

е) аналогично Рис.2.111, в, но с ключом на транзисторе VT1 структуры р—п—р и с помехоподавляющими конденсаторами С/, C2\

ж) аналогично Рис. 2.111, г, но на полевом транзисторе VT1 обратной проводимости;

з) реле K1 постоянно включено. Защитного диода специально нет, т.к. транзистор VT1 имеет обратное напряжение 100 В и выключение реле происходит «плавно» (элементы C7, R2).

а) схема аварийной сигнализации. Реле K1 будет включено коротким импульсом от MK через тиристор KS7, который аналогичен кнопке с самоблокировкой. Для отключения реле требуется полностью снять питание +5…+24 В;

б) логическая микросхема DD1 имеет мощный «высоковольтный» выход с открытым коллектором, что позволяет широко варьировать диапазон рабочих напряжений и токов для реле K1\

в) управление силовым реле K1 при помощи связки маломощного эмиттерного повторителя VT1 и мощного ключа на транзисторе VT2. Конденсатор C1 уменьшает ВЧ-помехи.

г) резистор R1 не обязателен, но он уменьшает уровень помех, которые могут проникать в линию МК  от бросков тока в катушке индуктивности реле K1 через ёмкостную связь между стоком и затвором транзистора VT1. Параметрический стабилизатор R2, VD1 ограничивает напряжение на реле K1. Сопротивление резистора Я2зависит от мощности реле и питания +9…+24 В;

д) применение двух транзисторов (вместо одного) может быть оправдано, если линия MK имеет низкую нагрузочную способность. Другое объяснение — транзистор VT1 одновременно подаёт питание и на другие цепи устройства;

е) MK проверяет факт включения транзистора VT1, анализируя напряжение на его коллекторе через элементы R1, R3, VD1. Если это напряжение имеет ВЫСОКИЙ уровень, значит транзтор закрыт и реле не сработало. Диод VD1 повышает помехоустойчивость. Резистор R3 ограничивает ток через внутренний диод порта MK. Вместо реле K1 может применяться соленоид;

ж) уменьшение времени срабатывания реле K1 путём кратковременной подачи на его обмотку повышенного напряжения, которое обеспечивается элементами С/, VT2, VD2, R2;

з)две особенности схемы: двухполярный стабилитрон VD1 (вместо диода) и цепочка R1, HL1, которая индицирует включение реле K1 и не даёт «висеть в воздухе» затвору транзистора VT1;

и) для полной опторазвязки MK от реле K1 «земли» в левой и правой частях схемы должны быть разобщены. Стабилитрон VD1 ограничивает напряжение на затворе транзистора VT1;

к) аналог оптореле, но с механическими контактами . Если «земли» двух источников питания +5 В и +12 В изолировать друг от друга, то будет обеспечена двойная гальваническая развязка — между MK и реле A7, а также между реле и его исполнительными контактами;

 Рис. 2.112. Схемы подключения «высоковольтных» механических реле к MK (продолжение):

л) если на реле K1 подаётся напряжение, то транзистор VT2 закрывается, при этом индикатор HL /светится, ЯЯ2погашен. Если реле K1 обесточено, то транзистор кТ2открывается, при этом индикатор HL1 погашен, Я12светится, а параллельно питанию +16 В подключается нагрузочный резистор R5. Его сопротивление должно быть таким же, как и у обмотки реле K1. Цель — поддерживать стабильным ток, потребляемый от источника питания, чтобы не возникало импульсных помех и «просадок» напряжения при включении/выключении мощного реле Л7;

м) схема В.Грэйама. «Высоковольтное» реле K1 срабатывает от «низковольтного» источника +6 В. Напряжение на реле суммируется с напряжением заряженного конденсатора C2 при открытом транзисторе VT1. После разряда конденсатора С2реле K1 удерживается во включённом состоянии напряжением +5.3 В через открытый транзистор VT2, потребляя меньше энергии;

н) контактор KM1 — это мощное трёхфазное реле. Оно включается от MK через оптотиристор VU1 и симистор VS1. Управляющее напряжение на контактор подаётся от фаз «0» и «А» после самоблокировки цепи питания нижней группой контактов KM1.4;

 Рис. 2.112. Схемы подключения «высоковольтных» механических реле к MK (окончание):

о) цепочка R1 C1 задерживает во времени момент включения реле KL тем самым устраняя еголожные срабатывания от коротких пусковых импульсов. Такое может наблюдаться, если MK генерирует с той же самой линии порта сигналы ещё и для других узлов устройства;

п) НИЗКИМ уровнем с выхода MK открывается транзистор VT1 на реле Kl подаётся удвоенное напряжение от DC/DC-преобразователя DA1 фирмы Maxim Integrated Products. Через некоторое время, определяемое цепочкой R2, C3, микросхема DA1 отключается от питания, но внутри неё остаётся почти короткое замыкание (5 Ом) между выводами 4 и 5. Соответственно, на реле подаётся пониженное напряжение +3.3 В, которого достаточно для поддержания включённого состояния. Достоинство — экономия в 4 раза мощности потребления реле. Замена DA1 — MAX1680, но при этом надо увеличить ёмкость конденсаторов C7, C2 в 2…5 раз.

Рис. 2.113. Схемы подключения внешней «обвязки» к механическим реле (начало):

а) реле с самоблокировкой или, по-другому, с однократным включением. Резистор R1 подбирают так, чтобы в закрытом состоянии транзистора VT1 реле Kl находилось вблизи границы срабатывания. Требование к реле Kl — оно должно иметь как можно большую разность между током срабатывания и током отпускания;

б) диод VD1 повышает помехоустойчивость. Конденсатор фильтра C7 может отсутствовать;

в) резистор R1 ускоряет выключение реле Kl. Транзистор VT1 должен без пробоя выдерживать большие импульсные перегрузки по току, поскольку в первый момент времени после подачи на реле Kl питания конденсатор C7 имеет очень низкое сопротивление;

 Рис. 2.113. Схемы подключения внешней «обвязки» к механическим реле (продолжение):

г) конденсатор С/ гасит колебательный процесс в катушке индуктивности реле K1. Резистор R1 ограничивает начальный ток заряда конденсатора;

д) резистор RI совместно с транзистором VT1 стабилизирует ток через обмотку реле K1. Это полезно при нестабильном напряжении питания +12…+ 16 В. Рабочее напряжение у реле K1 должно быть с запасом ниже, чем напряжение питания;

е) конденсаторы C7, C2 устраняют коммутационные помехи в радиодиапазоне, возникающие при включении/выключении реле K1\

ж) в момент включения транзистора VT1 конденсатор C7 имеет низкое сопротивление и на реле K1 подаётся полное напряжение питания. По мере заряда конденсатора C7 напряжение на реле уменьшается. Порог «не отпускания», когда реле ещё включено, устанавливается резистором R1. Достоинство схемы — более низкая потребляемая мощность в статическом режиме;

з) стандартный диод защиты Г7)7дополнен последовательным низкоомным резистором R1, на котором выделяется напряжение, пропорциональное току через диод. В этой точке можно посмотреть осциллографом динамику колебательного процесса коммутации реле. Кроме того, из этой точки можно вывести внешний сигнал для синхронизации других узлов устройства;

и) кнопкой SB1 проверяется исправность реле K1 при закрытом транзисторе VT1. Контакты кнопки должны выдерживать полный ток срабатывания реле. Резистор R1 подбирается так, чтобы ток через светодиод HL1 был меньше 20 мА. Светодиод может отсутствовать, при этом избыточное напряжение будет гаситься на резисторе R1 (необходимо только просчитать его мощность рассеяния);

 Рис. 2.113. Схемы подключения внешней «обвязки» к механическим реле (окончание):

к) благодаря конденсатору C1 на реле K1 в начальный момент времени подаётся повышенное напряжение, затем оно снижается из-за падения напряжения на резисторе R2. Цель — экономия электроэнергии. Светодиод HL1 индицирует включённое состояние реле K1. Резистором R1 регулируется яркость свечения и гасится избыток тока, чтобы светодиод не вышел из строя;

л) светодиод включён в цепь эмиттера, а не коллектора, транзистора VT1. Резистором R1 устанавливается яркость свечения индикатора HL1 и ток через него не более 20 мА;

м) типовая схема добавления элементов HL1, R1 параллельно существующему реле K1\ н) аналогично Рис. 2.113, м, но с повышенным напряжением питания. Резистором R1 гасится избыточное напряжение 4 В.

Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты