Мене часто запитують, як управляти за допомогою мікроконтролера потужними споживачами струму - лампами, що живляться від мережі 220 В, потужними тенами. У цій статті зібрано матеріал по роботі електронних ключів - як вони влаштовані, як працюють, як їх можна застосувати в радіоаматорського практиці (переклад [1]).

Спочатку варто розібратися в тому, що ж таке електронний ключ? По суті це просто вимикач (або перемикач) який замикає / розмикає Потужнострумові ланцюг по зовнішньому електричному сигналу (теж вхідний струм, але набагато меншої потужності). Зазвичай, коли на вхід електронного ключа подається слабкий струм управління, ключ замикається і пропускає через себе потужний струм в силовому ланцюзі. Коли струм управління пропадає, то ключ розмикається і потужний споживач струму відключається. На фото представлені основні представники електронних ключів - реле та транзистори.

1 - потужний транзистор IRFP450 MOSFET, який можна застосовувати в ключових джерелах живлення, в генераторах розгортки ЕПТ-моніторів.

2 - IRF840B, теж досить потужний транзистор, побратим IRFP450. Може безпечно, тривалий час, без використання радіатора (або охолоджуючого вентилятора) коммутировать струми до 8A при напрузі 500V.

UPD140601: як правильно прокоментував Ross, насправді без радіатора IRF840 довго в таких робочих умовах не протягне, тому що розсіює потужність перевищить 50 Вт. Якщо взяти транзистор з опором каналу на 2 порядки менше, тоді інша справа.

3 - два простих, дешевих транзистора. Зліва транзистор структури PNP, а праворуч NPN. Ці транзистори можуть управляти струмом до 0.15A при напрузі 50 .. 90V.

Зазвичай транзистори можуть комутувати струм від 0.15A до 14A при напрузі від 50V до 500V (див. Даташит на кожен конкретний транзистор), так що транзистор може перемкнути потужність до 7 кіловат, якщо на вхід транзистора докласти зовсім маленьку потужність - кілька милливатт.

Наведені на фото реле можуть комутувати струми від 5A до 15A при напрузі до 240V. Не дуже правильно буде порівнювати реле з транзисторами MOSFET, але вони майже не генерують тепло і не потребують радіаторах.

4 - найпростіше реле, що підходить для більшості випадків. У цього реле 5 ніжок, дві підключені до обмотки, а ще три - до контактів на перемикання.

5 - потужне реле на 20A, яке витягується з мікрохвильової печі.

6 - два реле, встановлені на приймальний радіомодуль (може навчатися на спрацьовування від потрібного приходить по радіо коду). Сам приймач споживає менше 5mA, але може при цьому перемкнути струм до 12A при напрузі 36V, що складе 360 ват!

7 - два потужних 135-ватних транзистора 2N3055 від старого підсилювача звуку, зі своїм рідним радіатором. Це застарілі біполярні транзистори, і вони не настільки ефективні, як сучасні транзистори MOSFET. Однак два таких транзистора в деяких випадках можуть замінити один IRFP450, щоб комутувати більше 75 ват потужності.

8 - приймач коду RC від великої дитячої радіокерованої іграшки - автомобіля. Використовує два однакових реле для прямого і зворотного ходу двигуна машинки. Дивно, що ці реле системи SPDT, що означає, що у них не використовуються контакти N / C.

9 - два реле системи DPDT, які еквівалентні 4 окремим реле (в кожному з цих реле по 2 контактні групи).

Електронні ключі застосовуються в тих випадках, коли використання простих кнопок і вимикачів незручно або неможливо - наприклад, для запуску автомобільного стартера, або для виключення ядерного реактора, або в електронних проектах, які по радіосигналу можуть управляти включенням / виключенням освітлення або приводом гаражної двері. У цьому посібнику зроблена спроба пояснити самим простою мовою, як працюють такі електронні ключі. І почнемо з найпростішого - реле.

[Що таке електронне реле]

Якщо коротко, то реле вдає із себе електромагніт, який управляє замиканням контактів. Працює це точно так же, як якщо б контакти замикалися механічним натисканням кнопки, але в разі реле зусилля для замикання береться від магнітного поля обмотки реле. Вихідні контакти реле можуть управляти дуже великий електричною потужністю - на порядки більшою, ніж прикладається потужність до обмотці електромагніту реле. При цьому вхідні ланцюг обмотки (де діє слабкий керуючий струм) повністю ізольована від вихідний потужної ланцюга, що дуже важливо для безпечного управління високовольтними навантаженнями (220, 380 V і вище).

Найчастіше у реле є 5 контактів - вхід 1 (на анімаційному малюнку позначений +), вхід 2 (на малюнку позначено як -), COM (COMmon, загальний контакт), N / O (Normally Open, за замовчуванням розімкнуте, коли обмотка НЕ отримує харчування), N / C (Normally Closed, за замовчуванням замкнуто, коли обмотка не отримує харчування).

Щоб краще зрозуміти роботу реле, згадаємо, що ці контакти означають і для чого потрібні:

Вхід 1: один з кінців обмотки електромагніту реле, в нашому прикладі це вхід для позитивного полюса вхідного струму для обмотки. Коли на цей контакт прикладений плюс напруги (достатнього, щоб реле спрацювало) щодо контакту Вхід 2, то реле перемикає контакти в активний стан. Майже всі реле нечутливі до полярності вхідного струму, тому можна на Вхід 1 подати +, а на Вхід 2 подати мінус, і навпаки, на Вхід 1 подати -, а на Вхід 2 подати +, і в будь-якому випадку реле нормально спрацює. Деякі реле, які мають масивний інерційний якір, можуть навіть спрацьовувати від змінного вхідного напруги (подробиці див. В паспорті на реле).
Вхід 2: інший кінець обмотки електромагніту реле. Все те ж саме, що і для Вхід 1, тільки полюс в нашому прикладі негативний.
COM: це загальний електрод вихідних контактів перемикача. При спрацьовуванні абовідпуску реле цей контакт перекидається на контакт N / O або N / C (контакти N / O і N / C працюють в протифазі, т. Е. COM може бути замкнутий або на N / O, або на N / C) . Контакт COM (як і контакти N / O і N / C) можете використовувати на свій розсуд для комутації електричного навантаження.
N / C: контакт, який нормально замкнутий на COM. Т. е. Контакт N / C замкнутий на COM, коли обмотка реле знеструмлена. Коли на обмотку реле подано робоча напруга, то контакти N / C і COM розмикаються.
N / O: контакт, який нормально розімкнений з COM. Т. е. Коли обмотка реле знеструмлена, то контакти N / O і COM розімкнуті. Коли на обмотку реле подано робоча напруга, то контакти N / O і COM замикаються.

Для поліпшення токопроводімость і зменшення іскріння поверхні контактів часто покривають спеціальними металами і сплавами на основі срібла, нікелю, ванадію, а іноді для покриття контактів застосовується навіть золото або платина (якщо це реле для комутації сигналів в якісній відеоапаратури або високочастотної радіотехніці).

Якщо у Вас є 9V батарейка (наприклад "Крона") і звичайне реле, то спробуйте підключити обмотку реле до + і - батарейки. При підключенні Ви почуєте клацання, який відбувається через притягання якоря реле до сердечника електромагніту і перемикання контактів. При відключенні обмотки від батарейки відбудеться також клацання, але слабкіше. При відключенні контакту обмотки від батареї Ви також побачите іскру, яка виникає від ЕРС самоіндукції обмотки реле.

Якщо принцип перемикання контактів все ще незрозумілий для Вас, то його можна представити до вигляді псевдокоду і ілюструє процес анімаційної картинки:

Якщо input = on (Power ON, через обмотку тече струм)
COM + N / O (COM замкнутий на N / O)
Інакше (Power OFF, обмотка знеструмлена)
COM + N / C (COM замкнутий на N / C)

[Як використовувати реле]

Як було вже згадано, реле використовується для того, щоб малопотужні пристрої (електронні компоненти, пристрої) могли включати і вимикати пристрої, які споживають набагато більше енергії. Найпоширеніший приклад застосування - автомобіль. Тепер Вас не повинно дивувати, чому Ви чуєте клацання при включенні індикаторної лампочки, тому що Ви знаєте - це спрацьовує електромагніт реле. Миготіння лампочки може створювати маленька мікросхема таймера, наприклад 555 timer (NE555, LM555).

Таймер 555 часто використовується для створення імпульсів (для простого вмикання і вимикання) на будь-яку потрібну тривалість, проте ця мікросхема 555 згорить, якщо буде пропускати через себе струм більше 200 ма. Так що неможливо просто так, без реле, підключити індикаторні лампочки до таймера 555, тому що навіть самі малопотужні лампочки споживають 700 ма і більше. Тепер, якщо ми будемо використовувати таймер 555 для включення реле, то контактами реле можна живити потужні індикаторні лампочки. У цьому випадку через мікросхему таймера буде текти струм близько 50 .. 100 ма, що цілком безпечно, а в силовому ланцюзі, що живить індикаторні лампочки, можуть текти струми до 5А.

Якщо у Вас дорога, нова машина, то мало шансів, що Ви почуєте клацання при мерехтінні індикаторних ламп, оскільки сучасна тенденція - застосовувати всюди, де можна, потужні транзистори MOSFET, а в якості індикаторних ламп ставити економічні світлодіоди.

На інтерактивній flash-анімації показаний простий сценарій, в якому використовуються обидва контакти N / O і N / C, щоб включати або червону, або зелену лампу (в залежності від того, запитана обмотка реле, чи ні). Наведіть курсор миші на сірий вимикач, і натисніть ліву кнопку миші. При цьому червона лампа згасне, а зелена загориться.

На наступному малюнку показаний приклад використання реле разом з таймером NE555.

Короткочасне замикання кнопки S1 запускає формування тривалої витримки часу, протягом якого реле включено, і замикає контакти NO і C. Після закінчення часу витримки схема повертається в початковий стан, реле знеструмлюється, і стають замкнутими контакти NC і C. Такий пристрій можна використовувати для включення освітлення на сходах - після закінчення заданого часу світло автоматично вимкнеться. RC-ланцюжок, підключена до висновків 6 і 7 таймера NE555, визначає витримку часу. Діод, підключений паралельно обмотці реле, захищає мікросхему таймера NE555 від небезпечного викиду ЕРС самоіндукції, що виникає при знеструмленні обмотки реле (обмотка має значну індуктивністю). Щоб схема працювала нормально, вибирайте відповідне реле - з струмом спрацьовування не більше 200mA (це максимум, який дозволяє вихід мікросхеми таймера) при напрузі від 4.5 до 11 вольт. Напруга живлення схеми підберіть відповідно до параметрів реле - від 5 до 12 вольт.

Замість мікросхеми таймера NE555 можна використовувати будь-який мікроконтролер AVR, наприклад ATmega32A або ATtiny85 [4]. Мікроконтролер точно так же, як і таймер 555, може перемикати свій вихід з 0 на 1. Однак майте на увазі, що вихідний допустимий струм у мікроконтролера істотно менше, а вихідна напруга може змінюватися тільки в межах від 0 до 5V. Наприклад, для ATmega32A вихідний струм не може перевищувати 40mA на один порт. Тому в загальному випадку для посилення порту мікроконтролера використовують транзисторні ключі [2]. Вхід транзисторного ключа підключений до мікроконтролеру, а вихід - до обмотці реле.

[Що таке транзистор]

У попередньому розділі ми згадали транзистори в якості підсилювача / буфера сигналів від мікроконтролера. Але не встигли розібратися, як транзистори виглядають і за яким принципом працюють. На фото показаний зовнішній вигляд транзисторів різного призначення.

Транзистор на сьогоднішній день все ще часто використовується в електронних схемах, і він є одним з елементарних компонентів радіоелектроніки (поряд з діодами, резисторами і конденсаторами). Незважаючи на те, що принцип роботи транзистора для новачка важко зрозуміти з першого разу, транзистор по суті дуже простий і дуже добре працює разом з реле. Як Ви вже напевно помітили, у транзистора 3 ніжки, і прості біполярні транзистори бувають двох типів: PNP і NPN.

Найпершими з'явилися транзистори PNP, і вони виготовлялися на основі напівпровідника германію. Потім освоїли виготовлення транзисторів з кремнію, і більш поширеними стали транзистори структури NPN. Транзистори обох структур (PNP і NPN) працюють за однаковим принципом, відмінність тільки в полярності робочої напруги харчування, і в деяких параметрах. В даний час частіше використовують транзистори NPN.

У ключових схемах призначення транзистора те ж саме, що і у реле. Коли слабкий відкриває струм тече через емітерний перехід (між базою Б і емітером Е), то канал між колектором (К) і емітером (Е) відкривається, і може пропускати струм більше базового в десятки і сотні разів. Емітер в цьому випадку грає роль загального електрода, і для транзисторів NPN в ключовому режимі емітер часто підключений до загального негативного проводу живлення, до землі GND.

Транзистори іноді використовують замість реле, і вони перемикають велику потужність, як і реле, від слабкого сигналу. Але на відміну від реле, швидкість перемикання транзисторів може бути дуже високою (час переходу з вимкненого стану у включене і навпаки дуже мало), тому їх застосовують для управління звуковими динаміками і імпульсними трансформаторами в ключових джерелах живлення. Більшість звичайних транзисторів можуть перемикатися зі швидкістю 1 мільйон раз в секунду. Транзистори також вигідно відрізняються від реле малими габаритами, тому вони можуть використовуватися в тих місцях, де реле використовувати неможливо або непрактично. Однак транзистори можуть бути пошкоджені сильними електромагнітними полями, статичною електрикою і перегрівом, що накладає певні обмеження на області застосування транзисторів.

[Як працює транзистор]

Транзистор працює підсилювачем потужності. На вхід прикладається маленька керована потужність, а на виході знімається в десятки і навіть сотні разів більша потужність. Це відбувається за рахунок зміни опору між висновками колектора і емітера в залежності від струму, який протікає між базою і емітером.

На жаль, розташування висновків бази, емітера і колектора (цоколевка) може змінюватися від одного типу транзистора до іншого, так що для того, щоб зрозуміти, де база, а де емітер і де колектор, звертайтеся до документації на транзистор. Є способи, що дозволяють за допомогою тестера визначити цоколевку, але це істотно складніше, ніж просто заглянути в даташит.

Транзистори, на відміну від реле, можуть відкриватися в повному обсязі (мати якесь опору каналу емітер - колектор), що прямо пропорційно току, що протікає через базу. Цю пропорцію називають коефіцієнт посилення струму транзистора, h21Е. Наприклад, якщо коефіцієнт посилення транзистора дорівнює 100, то при струмі 1mA, що протікає через базу, струм через канал колектор - емітер може досягати 100mA, що на технічній мові називають посиленням. Транзистор, також на відміну від реле, може сильно нагріватися при протіканні через нього струму. Зазвичай високий нагрів виходить при великій потужності, що розсіюється на опорі каналу колектор - емітер, коли транзистор в повному обсязі відкрито. Тому нагрівання і втрати потужності мінімальні тоді, коли транзистор або повністю закритий, або повністю відкритий.

Всі транзистори мають певний поріг вхідної напруги, по перевищенні якого транзистор починає відкриватися. Для більшості звичайних кремнієвих біполярних транзисторів це напруга становить 0.5 .. 0.8V. Для германієвих транзисторів це напруга менше, і становить близько 0.2 .. 0.4V. Іноді цей поріг називають напругою відсічення. Якщо вхідна напруга нижче напруги відсічення, то струм через канали база - емітер і колектор - емітер не тече, транзистор повністю закритий.

Також всі транзистори мають максимальний вхідний струм, після перевищення якого ефект посилення перестає проявлятися. Т. е. Вище цього порогу посилення перестає проявлятися, вихідний струм перестає рости. При цьому напруга між базою і емітером близько і навіть вище напруги між колектором і емітером. Такий стан транзистора називають насиченням, і при цьому вважається, що транзистор повністю відкритий.

У цій статті ми розглядаємо застосування транзистора в якості електронного ключа, тому будуть використовуватися тільки два стану транзистора - або він повністю закритий (стан відсічення струму), або повністю відкритий (стан насичення). Нижче наведена анімація, спрощено показує загальний принцип роботи транзистора. Зверніть увагу, що струм емітера дорівнює сумі струмів бази і колектора, причому струм бази в 100 разів менше струму колектора (коефіцієнт посилення струму дорівнює 100).

З цієї зображенні можна простіше зрозуміти, чому малого струму бази досить, щоб відкрити силовий канал провідності колектор - емітер (бо маленький вхідний струм як би відкриває вентиль основного каналу). Також можна умовно зрозуміти стан насичення - потік води переповнює трубу, і труба не може пропустити через себе води більше, ніж дозволяє діаметр труби. Звичайно ж, таке уявлення є спрощеним, дуже приблизно відображає реальні процеси, які відбуваються в транзисторі.

[Як використовувати транзистор]

Дуже часто транзистор вікорістовується як електронний ключ. Коли керуючий струм тече між базою і емітером, відкривається силовий канал між емітером і колектором, опір між емітером і колектором різко падає. Наприклад, можна вмикати / вимикати світлодіоди в залежності від сигналу струму, що приходить від таймера 555 (як на анімації нижче) або від мікроконтролера. Між керівником виходом таймера 555 (або вихідним портом мікроконтролера) і базою транзистора майже завжди ставлять струмообмежувальним захисний резистор (на цій анімації для спрощення резистор не показаний). Для спрощення також не показані струмообмежувальні резистори, які повинні стояти послідовно з кожним світлодіодом.

Раніше вже згадувалася можливість управляти реле за допомогою мікроконтролера. Для цього зазвичай також застосовуються транзистори. Нижче приведена проста схема на транзисторі KT315 (його можна замінити аналогом на BC547), призначена для комутації мережевого навантаження 220V за допомогою реле (це може бути лампа, або нагрівач, або асинхронний двигун).

Діод VD1 потрібен для запобігання пошкодження транзистора високовольтних імпульсом ЕРС самоіндукції, що виникає при знеструмленні обмотки реле.

[Загальні зауваження по застосуванню реле і транзисторів]

Реле бувають з різними параметрами, що визначають його призначення і область застосування. Чим реле могутніше (тобто чим більше струм і напруга, яке реле може комутувати), тим більше розміри реле через збільшення розмірів електромагніту і контактної групи. Чим реле більше за розміром, тим воно буде вимагати бОльшей потужності для управління. Тому намагайтеся підібрати реле, найбільш підходяще Вам за параметрами.

Важливо також підібрати потрібне напруга джерела живлення для реле. Якщо напруга буде занадто низьким, то реле не буде надійно спрацьовувати (або не спрацьовуватиме зовсім). Якщо напруга буде занадто великим, то на обмотці реле буде розсіюватися занадто велика потужність, обмотка буде перегріватися і реле може вийти з ладу. Щоб правильно вибрати напруга живлення обмотки реле, см. Параметри реле в його паспорті або даташіте.

Для управління реле за допомогою мікроконтролера застосовуйте транзистори в якості буферних ключів.

Ви могли б запитати себе - в чому різниця між потужними, звичайними біполярними транзисторами і транзисторами MOSFET. Потужні транзистори можуть витримати більші струми і напруги, і мають спеціальні корпусу (зазвичай максимальні струми близько 10 .. 20A, і напруги до 600V і більше). Корпус потужного транзистора розрахований на кріплення до тепловідводної поверхні (наприклад, радіатора). Звичайні транзистори мають прості пластмасові мініатюрні корпусу, і можуть зазвичай витримувати напруги до 150V і струми до 2A.

Транзистор MOSFET, незважаючи на те, що принцип його роботи і параметри абсолютно відрізняються від традиційних біполярних транзисторів, застосовуються для тих же цілей, що і біполярні транзистори. Нижче наведено приклад схеми для управління реле на транзисторі MOSFET.

Під транзисторами MOSFET часто мають на увазі потужні транзистори. Дійсно, параметри у MOSFET значно перевищують параметри біполярних транзисторів по струму і напрузі. У закритому стані опір каналу стік - витік транзисторів MOSFET близько до нескінченності, а у відкритому стані падає практично до нуля. Тому транзистори MOSFET можуть безпечно працювати при перемиканні дуже великих потужностей, виділяючи при цьому малу кількість тепла. Транзистори MOSFET, як і біполярні, можуть плавно змінювати опір силового каналу, однак це опір залежить від вхідної напруги, а не від вхідного струму. У багатьох випадках можна з невеликими модифікаціями схеми замінити біполярний транзистор на транзистор MOSFET. Зворотній заміна можлива далеко не завжди.

Мене напевно можна назвати "радіоелектронним лахмітником". Не можу байдуже повз будь викинутої радіоелектронної залізяки - хочеться забрати додому, полагодити або хоча б розібрати на запчастини. У старій апаратурі можна знайти реле і транзистори, цілком працездатні і гідні кращої долі, ніж гниття на звалищі. Реле можуть стояти в мікрохвильових печах, кондиціонерах, телевізорах, холодильниках, джерелах безперебійного електроживлення, музичних центрах, радіокерованих іграшках. Транзистори зустрічаються майже в будь-якій електронній апаратурі, і останнім часом все більше зустрічаються транзистори з планарним монтажем на плату (SMD), а транзистори з штирові висновками зустрічаються рідше.

[Що позначають абревіатури SPDT, SPST, DPST, DPDT]

Single pole, single throw One-way Two-way Простий вимикач, який має два положення - увімкнене. Два контакту можуть бути або замкнуті між собою, або розімкнуті. Застосовується, наприклад, для включення освітлення. SPDT Single pole, double throw Two-way Three-way Простий перемикач. Спільний вміст C (COM, Common) з'єднується або з контактом L1, або з L2. SPCO
SPTT Single pole changeover або Single pole, triple throw За контактам те ж саме, що і SPDT. Деякі виробники реле використовують SPCO / SPTT для позначення перемикачів, що мають вимкнений середнє, центральне положення, в якому всі контакти розімкнуті. DPST Double pole, single throw Double pole Double pole Те ж саме, що і дві окремих контактних групи SPST, керовані одночасно одним механізмом. DPDT Double pole, double throw Те ж саме, що і дві окремих контактних групи SPDT, керовані одночасно одним механізмом. DPCO Double pole changeover або Double pole, centre off По контактам еквівалентно DPDT. Деякі виробники використовують DPCO для позначення перемикачів, що мають середню, виключене положення. Intermediate switch Four-way switch Перемикач DPDT, що має внутрішнє з'єднання контактів таким чином, що перемикання змінює полярність підведеної напруги. Використовується рідко.

[Посилання]

1. How Electronic Switches Work For Noobs: Relays and Transistors site: instructables.com.
2. usb-Relay - маленьке USB-пристрій, що управляє включенням і вимиканням реле .
3. Транзистор - це просто . Дуже хороші відеоуроки, що пояснюють принцип роботи напівпровідників.
4. Доступ до портів I / O AVR на мові C (GCC, WinAVR) .
5. Як працюють транзистори MOSFET .