Tranzystory i przekaźniki - sterowanie zasilaniem urządzeń elektrycznych

Wykorzystujemy mikrokontroler, tranzystory i przekaźniki do sterowania zasilaniem różnych urządzeń

Najprostsze metody automatyzacji, sterowania urządzeniami elektrycznymi to ich zdalne włączanie i wyłączanie. Elektronika oferuje szereg elektronicznym przełączników, którymi możemy sterować z poziomu płytki mikrokontrolera. Tranzystor pozwoli przełączać nieduże napięcia - np. by włączyć, bądź wyłączyć zasilanie silniczka w naszym robocie. Przekaźniki mogą już przełączać duże napięci a włączając np. żarówkę zasilaną z sieci. Przy bardzo dużych poborach mocy przydają się przekaźniki SSR. Wszystkie te rozwiązania są sterowane elektrycznie - np. pinami z mikrokontrolera. W tym artykule będzie sporo o przełączaniu, włączaniu i wyłączaniu.

Tranzystory

Tranzystory występują w ogromnych ilościach we współczesnej elektronice. To elektroniczne przełączniki. Przeciętny tranzystor bipolarny kosztuje mniej niż 2 PLN i wytrzyma napięcia do np. 100V i natężenia kilkunastu amper (sprawdź opis tego, który cię interesuje). Posiada trzy piny - bazę (B), kolektor (C) i emiter (E). Przyłożenie niewielkiego napięcia do bazy pozwala na przepływ prądu pomiędzy kolektorem a emiterem. W tranzystorach polowych znajdziemy źródło (S) i dren (D) (od drenu do źródła) sterowane przez bramę (G). Wystarczy wyszukać w sieci oznaczenie naszego tranzystora by wszystkiego się o nim dowiedzieć - w tym o rozmieszczeniu poszczególnych pinów. Osobom chcącym poznać lepiej budowę i działanie tranzystorów polecam klip na 2veritasium.

Tranzystor BD911

Ja użyłem tranzystora BD911 (B, C, E) oraz tranzystora polowego IRF530N (G, D, S). Pin cyfrowy (D1) z pyMCU podłączony był do bramy/bazy. Przez pozostałe dwa piny tranzystora poprowadziłem zasilanie - testowo dla diody LED. Żeby włączyć zasilanie wystarczy ustawić pin cyfrowy w stan wysoki (pinHigh), a żeby wyłączyć w stan niski (pinLow). To pozwala nam kontrolować zasilanie jakiegoś urządzenia o niedużym poborze prądu. W przypadku diod LED o niskich wymaganiach prądowych nawet prąd płynący między bramą a emiterem w BD911 wystarczy do zapalenia jej (co może zdziwić za pierwszym razem).

Tranzystor polowy podłączony do pymcu

Przekaźniki

Przekaźniki elektromagnetyczne to przełączniki wykorzystujące pole magnetyczne do zmiany położenia przełącznika. W przekaźniku sterujemy cewką. Przepuszczenie prądu przez cewkę generuje pole magnetyczne, które przyciąga bądź odpycha magnetyczną kotwiczkę przełącznika. W odróżnieniu od tranzystora mamy tutaj ruchome części. Także potrzebować możemy więcej mocy by generować odpowiednie pole magnetyczne na cewce. Przełączniki 5V będą działały z mikrokontrolerami operującymi na 5V, ale np. 12V przełączniki już nie. Dla tych drugich stosuje się układ z tranzystorem - niskie napięcie z mikrokontrolera steruje nieco większym napięciem sterującym przekaźnikiem. Same przekaźniki mogą przełączać prąd o dużym natężeniu i napięciu - np. ten z sieci elektrycznej - a z takim prądem nie ma już żartów. Nie polecam testowania przekaźnika od razu z zasilaniem sieciowym, a gdy już to robimy trzeba zachować maksymalną ostrożność.

Przekaźnik od góry i od spodu

W sklepach znajdziemy przekaźniki w postaci czarnej kostki jak i gotowe moduły z przekaźnikiem na płytce drukowanej. W przypadku Raspberry Pi spotkamy je na płytce Pi Face. Do Arduino i innych mikrokontrolerów znajdziemy też płytki z wieloma przekaźnikami. Zaleta większości płytek to obecność optoizolacji (sprawdź opis tej, którą chcesz kupić). Optoizolowane piny sterujące nie mają bezpośredniego połączenia z przekaźnikiem. Transoptor zapewnia optyczną izolację. W uproszczeniu dioda LED świeci na fotodiodę, w której wzbudza to przepływ prądu. Gdyby przekaźnik uległ uszkodzeniu 230V nie trafi do kontrolera bo zapobiegnie temu transoptor (przy okazji samemu ulegając uszkodzeniu).

Przekaźniki na płytkach są droższe (ponad 10 PLN) od samych przekaźników (jakieś 2 PLN lub mniej). Jeżeli nie planujemy własnej płytki drukowanej to lepiej wybrać taki lepszy na gotowej płytce. Łatwiej coś do nich podłączyć - i zarazem bezpieczniej.

Sam przekaźnik ma dwa piny sterujące (na VCC+ i pin cyfrowy), oraz trzy piny napięcia przełączanego: COM na wejdzie i dwa wyjścia - NO (normalnie otwarty) i NC (normalnie zamknięty). Gdzie np. NO będzie otwarty gdy przekaźnik nie będzie przełączony przez prąd na cewce (w stanie spoczynku). NC na odwrót. Przełączenie przekaźnika wyraźnie słychać - kliknięcie metalu o metal.

Przekaźnik w czasie pracy

Od strony pyMCU przełączanie przekaźnika wygląda tak samo jak w przypadku tranzystora. pinLow/pinHigh na cyfrowym pinie.

Przekaźniki na płytkach mają oddzielne wyprowadzenia na przewody przełączane oraz standardowe piny dla części sterującej. W zależności od płytki mogą to być trzy piny: +, - oraz sygnał, lub więcej: +, - i dwa piny sterujące (jeden musi być w stanie wysokim, a drugi w niskim). Poniżej przekaźnik w tej bardziej skomplikowanej odsłonie.

Przekaźnik na płytce

Oddzielne piny zasilania powinny pozwolić na bezproblemowe zasilanie większym napięciem niż to dostarczane z mikrokontrolera (o ile potrzebne, dla 5V pyMCU dało radę). Pin sterujący (+) wystarczy ustawić w stanie wysokim, a pin (-) w stanie niskim (nic z nim nie robić), albo połączyć z GND zasilania (albo wykorzystać do sterowania z dwoma warunkami). Podobny moduł opisano na picoboard.pl z wykorzystaniem Raspberry Pi.

Jeżeli chcemy kontrolować urządzenie o dużej mocy, to zamiast elektromechanicznego przekaźnika możemy pomyśleć o przekaźniku SSR, który efektywnie potrafi je obsłużyć. Nie posiada ruchomych części, zapewnia szybkie przełączanie, bez wprowadzania zakłóceń. Wymaga jednak np. optoizolacji układu sterującego. Dobre SSR są też drogie.

blog comments powered by Disqus

Kategorie

Strony