Управление лампочкой от 220В на Arduino
Все знают, что выводы Arduino способны подавать напряжение в 3,3В или в 5В на подключенные к ним модули или датчики. К примеру, мы можем подключить к нашему микроконтроллеру датчики температуры и влажности, и дисплей — получится миниатюрная метеостанция с выводом данных на экран; или можем измерять расстояние до различных объектов при помощи датчика ультразвука. Однако, как быть с управлением освещением? Ведь питания от Arduino хватает на обычные светодиоды, но не на лампочки (будь то накаливания, энергосберегающие или светодиодные). Решим эту проблему, используя реле!
Начнем с того, что лампочки, о которых мы говорим в данной статье, питаются чаще всего от сети в 220В. Более того, тяжело представляется подключение лампочки напрямую к плате, ведь это будет чересчур непривычно по сравнению с подключением диодов.
Такая же проблема обычно и с подключением других устройств, которые получают питание от сети. На помощь приходит устройство под названием реле.
Стоят модули реле недорого, могут иметь от одного до нескольких каналов. Внизу на фото изображен одноканальный модуль реле, который уже готов к подключению его к Ардуино.
Данный модуль можно свободно подключать к Arduino, так как требует рабочего напряжения в 5 вольт, а вот уже коммутировать реле может несколько разных значений. Чаще всего они прописываются на корпусе: чаще всего это свободная коммутация до 10А 30V DC и 10A 250V AC.
Реле представляет собой управляемый переключатель, который по сигналу с Arduino переключает средний контакт между двумя крайними, таким образом, размыкая или замыкая цепь.
Для подключения к Arduino используются 3 контакта: два контакта питания (5В и Gnd) и контакт управления, который подключается к цифровому выводу на плате(например, к пину номер 3). На самом реле с другой стороны есть еще три контакта, но для подключения нагрузки (например лампочки) — к двумя из них подключатся контакты управления лампочкой, а другой остается свободным (внутри самого реле он связан с заземлением). Поэтому при включении реле, происходит замыкание контактов COM (общий) и NC (нормально замкнутый) и лампочка загорается, а при выключении реле замыкаются другие контакты — COM (общий) и NO (нормально разомкнутый). Не забывайте, что контакты лампочки должны быть подключены и к сети в 220В
Схема подключения изображена на картинке ниже:
После того, как собрали цепь, подключаем плату к компьютеру и загружаем следующий программный код (он очень простой):
Уроки Ардуино #9 — управление нагрузкой MOSFET транзистор
const int relPin = 3; void setup() < pinMode(relPin, OUTPUT); >void loop()
Сначала мы устанавливаем переменную relPin, модуль реле подключается к пину 3. Далее устанавливается сигнал с реле как выходной.А в цикле программы у нас включается реле, через секунду выключается и через 3 секунды снова включается
И таким же образом можно управлять и другими устройствами. Теперь вы знаете, как подключить лампочку к Arduino через реле и можете программировать различные устройства на данной основе. Например, сделать автоматическое включение света с помощью датчика движения (при наличии движения включается свет) или с помощью датчика света (когда стало темно, то включился свет) и т.д.
К минусам данного типа реле можно отнести большое потребление тока, малую живучесть при больших нагрузках и возможное залипание контактов, если была подключена большая нагрузка (например кипятильник или что-то подобное)
Таких недостатков не будет иметь твердотельное реле: там вместо катушки находится полупроводник.
На этой данная статья подходит к концу. Всем спасибо за внимание и удачной компиляции! 🙂
Купить компоненты, используемые в статье, вы можете на нашем сайте: Амперкот.ру
Данная статья является собственностью Amperkot.ru. При перепечатке данного материала активная ссылка на первоисточник, не закрытая для индексации поисковыми системами, обязательна.
Как с помощью Ардуино безопасно управлять нагрузкой на напряжении 220 вольт
Для системы «Умный дом» основной задачей является управление бытовыми приборами с управляющего устройства будь то микроконтроллер типа Ардуино, или микрокомпьютер типа Raspberry PI или любое другое. Но сделать этого напрямую не получится, давайте разберемся как управлять нагрузкой 220 В с Ардуино.
Для управления цепями переменного тока средств микроконтроллера недостаточно по двум причинам:
1. На выходе микроконтроллера формируется сигнал постоянного напряжения.
2. Ток через пин микроконтроллера обычно ограничен величиной в 20-40 мА.
Мы имеем два варианта коммутации с помощью реле или с помощью симистора. Симистор может быть заменен двумя включенными встречно-параллельно тиристорами (это и есть внутренняя структура симистора). Давайте подробнее рассмотрим это.
Управление нагрузкой 220 В с помощью симистора и микроконтроллера
Внутренняя структура симистора изображена на картинке ниже.
Тиристор работает следующим образом: когда к тиристору приложено напряжение в прямом смещении (плюс к аноду, а минус к катоду) ток через него проходить не будет, пока вы не подадите управляющий импульс на управляющий электрод.
Я написал импульс не просто так. В отличие от транзистора тиристор является ПОЛУУПРАВЛЯЕМЫМ полупроводниковым ключом. Это значит, что при снятии управляющего сигнала ток через тиристор продолжит протекать, т.е. он останется открытым. Чтобы он закрылся нужно прервать ток в цепи или сменить полярность приложенного напряжения.
Это значит, что при удержании положительного импульса на управляющем электроде нужно тиристор в цепи переменного тока будет пропускать только положительную полуволну. Симистор может пропускать ток в обоих направлениях, но т.к. он состоит из двух тиристоров подключенных навстречу друг другу.
Управляющие импульсы по полярности для каждого из внутренних тиристоров должны соответствовать полярности соответствующей полуволны, только при выполнении такого условия через симистор будет протекать переменный ток. На практике такая схема реализована в распространенном симисторном регуляторе мощности.
Как я уже сказал микроконтроллер выдает сигнал только одной полярности, для того чтобы согласовать сигналу нужно использовать драйвер построенный на оптосимисторе.
Таким образом, сигнал включает внутренний светодиод оптопары, она открывает симистор, который и подает управляющий сигнал на силовой симистор T1. В качестве оптодрайвера может быть использован MOC3063 и подобные, например, на фото ниже изображен MOC3041.
Zero crossing circuit – цепь детектора перехода фазы через ноль. Нужна для реализации разного рода симисторных регуляторов на микроконтроллере.
Если схема и без оптодрайвера, где согласование организовано через диодный мост, но в ней, в отличие от предыдущего варианта нет гальванической развязки. Это значит, что при первом же скачке напряжения мост может пробить и высокое напряжение окажется на выводе микроконтроллера, а это плохо.
При включении/выключении мощной нагрузки, особенно индуктивного характера, типа двигателей и электромагнитов возникают всплески напряжения, поэтому параллельно всем полупроводниковым приборам нужно устанавливать снабберную RC цепь.
Реле и А рдуино
Для управления реле с А рдуино нужно использовать дополнительный транзистор для усиления тока.
Обратите внимание, использован биполярный транзистор обратной проводимости (NPN-структура), это может быть отечественный КТ315 (всеми любимый и всем известный). Диод нужен для гашения всплесков ЭДС самоиндукции в индуктивности, это нужно чтобы транзистор не вышел из строя от высокого приложенного напряжения. Почему это возникает, объяснит закон коммутации: «Ток в индуктивности не может измениться мгновенно».
А при закрытии транзистора (снятии управляющего импульса) энергии магнитного поля накопленной в катушке реле необходимо куда-то деваться, поэтому и устанавливают обратный диод. Еще раз отмечу, что диод подключен в ОБРАТНОМ направлении, т.е. катодом к плюсу, анодом к минусу.
Такую схему можно собрать своими руками, что значительно дешевле, плюс вы можете использовать реле, рассчитанное на любое постоянное напряжение.
Или купить готовый модуль или целый шилд с реле для Ардуино :
На фото изображен самодельный шилд, кстати, в нем использованы для усиления тока КТ315Г, а ниже вы видите такой же шилд заводского исполнения:
Это 4-канальные шилды, т.е. вы можете включать целых четыре линии 220 В. Подробно о шилдах и реле мы уже выкладывали статью на сайте — Полезные шилды для Ардуино
Схема подключения нагрузки на напряжении 220 В к Ардуино через реле:
Заключение
Безопасное управление нагрузкой переменного тока подразумевает прежде всего безопасность для микроконтроллера вся описанная выше информация справедлива для любого микроконтроллера, а не только платы Ардуино .
Главная задача – обеспечить нужные напряжение и ток для управления симистором или реле и гальваническая развязка цепей управления и силовой цепи переменного тока.
Кроме безопасности для микроконтроллера, таким образом, вы подстраховываете себя, чтобы при обслуживании не получить электротравму. При работе с высоким напряжением нужно соблюдать все правила техники безопасности, соблюдать ПУЭ и ПТЭЭП.
Эти схемы можно использовать и для управления мощными пускателями и контакторами. Симисторы и реле в таком случае выступают в роли промежуточного усилителя и согласователя сигналов. На мощных коммутационных приборах большие токи управления катушкой и зависят непосредственно от мощности контактора или пускателя.
- Подключение аналоговых датчиков к Ардуино, считывание показаний датчиков
- Какую плату Arduino выбрать
- 19 шилдов для Arduino на все случаи жизни
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Схемы на микроконтроллерах
Подписывайтесь на канал в Telegram про электронику для профессионалов и любителей: Практическая электроника на каждый день
Поделитесь этой статьей с друзьями:
Arduino UNO урок 9 — как управлять мощной нагрузкой
В нашем предыдущем уроке (Arduino UNO урок 8 — Ночник) мы рассмотрели работу с фоторезистором для управления LED. Однако, бывает так что необходимо управлять более мощной нагрузкой, такой как лампа накаливания, электродвигатель и т.п.
Выходы контроллер Arduino не могут обеспечить питание столь мощной нагрузки и большого напряжения. К примеру в робототехнике, часто используются двигателя на 12В, 24В, 36В и т.п.
Выход из положения- использование MOSFET-транзисторов. Их бывает великое множество, но мы рассмотрим MOSFET фирмы ST microelectronics: 95N2LH5 N-Channel Power MOSFET.
Данный транзистор способен выдерживать продолжительный ток до 80А (естественно с теплоотводом) и открывается при напряжении затвора 1В. Поэтому, мы можем напрямую подсоединить данный транзистор к ногам Arduino. Когда транзистор полностью открыт, сопротивление Исток-Сток всего 0.0049 Ом. Поэтому, если к нему подключить электрический мотор 12В, 10А на транзисторе падение напряжения будет всего лишь 0.049В, а рассеиваемая мощность 0.49 Ватт.
На схеме показано подключение электрического моторчика к Arduino через MOSFET.
Если использовать ШИМ-выход контроллера, мы можем управлять мощностью (а значит и скоростью вращения) мотора.
Можно вернуться, например к уроку 5 (Arduino UNO урок 5 — Fade-эффект (плавное затухание)), где мы использовали Fade-эффект для светодиода, и вместо светодиода таким-же способом подключить и автомобильную лампу на 12 Вольт.
Ардуино: модуль реле
Мы уже знаем как управлять слабым светодиодом и даже мощным двигателем с помощью Ардуино. Но как быть, если мы задумаем управлять устройствами, подключенными к бытовой сети? Напомню, что даже небольшая настольная лампа питается от источника переменного тока с напряжением 220 Вольт. Обычный полевой транзистор, который мы использовали в схеме с двигателем уже не подойдет.
Чтобы управлять мощной нагрузкой да еще и с переменным током воспользуемся реле. Это такое электромеханическое устройство, которое механическим способом замыкает цепь нагрузки с помощью электромагнита. Посмотрим на внутренности:
Принцип действия реле следующий. Подаем напряжение на электромагнитную катушку. В катушке возникает поле, которое притягивает металлическую лапку. В свою очередь, лапка механически замыкает контакты нагрузки.
У реле есть два основных применения. Во-первых, мы можем подав всего 5 Вольт на катушку, замкнуть цепь очень мощной нагрузки. Например, реле, используемое в уроках для Ардуино, может включить свет в доме или отключить забытый утюг. Во-вторых, некоторые виды реле могут одновременно замкнуть и разомкнуть сразу несколько разных цепей с разным напряжением.
Управление нагрузкой с помощью ИК пульта и Arduino
В статье приведу пример управления нагрузкой с помощью ИК-пульта и Arduino UNO. При необходимости программу можно легко изменить, для управления сервоприводом или другом устройством при нажатии любой кнопки.
Управление нагрузкой с помощью ИК пульта и Arduino
Необходимые детали:
► Arduino UNO R3 x 1 шт.
► Модуль реле 4-о канальный x 1 шт.
► Модуля HX1838 с ИК пультом x 1 шт.
► Провод DuPont x 1 шт.
Описание:
В данном примере используется приемник HX1838, 4-х канальное реле и Arduino UNO. Для переключения реле, используется стандартный 21 кнопочный пульт, при нажатии кнопки 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 переключается реле 1, 2, 3, 4, при необходимости можно использовать пульт от телевизора, кондера и так далее.
Подключение:
Первым делом, подключим приемник HX1838 к Arduino UNO, для этого крайний левый выход приемника подключаем к выводу 7 (Arduino UNO), средний вывод GND подключаем к GND (Arduino UNO) и крайний левый вывод 5В, подключаем к выводу 5В (Arduino). Теперь, осталось подключить 4-х канальное реле, для этого подключим выводы in1, in2, in3, in4 к выводам 3, 4, 5, 6. Так же подключаем питание.
Программа:
Приведенный ниже скетч будет переключать цифровые вывода 2, 3, 4, 5 в LOW при нажати кнопок 1, 3, 5, 7 и в положение HIGH при нажатии 2, 4, 6, 8.
Изготовление печатной платы для проекта
Спроектированная нами печатная плата для рассматриваемого в данной статье проекта регулируемой электронной нагрузки на основе платы Arduino показана на следующем рисунке.
Скачать Gerber файлы этой печатной платы вы можете по следующей ссылке — Download Adjustable Electronic DC Load Gerber File.
Заказать печатную плату можно, к примеру, на сервисе allpcb.com, или у любого другого изготовителя печатных плат. Процессы заказа и оплаты изготовления печатной платы на сервисе allpcb.com показаны на следующих рисунках.
После изготовления печатная плата пришла авторам проекта вот в такой вот коробке:
Внешний вид пришедшей печатной платы показан на следующем рисунке. Качество изготовления, как видите, хорошее.
После сборки проекта на основе этой печатной платы получился следующий окончательный вид конструкции нашего проекта:
Объяснение программы для Arduino
Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы кратко рассмотрим его основные фрагменты. Комментарии к коду программы также переведены в конце статьи, в этой части статьи я их оставил без перевода.
Вначале в коде программы мы подключим необходимые библиотеки ( SPI.h и LiquidCrystal.h ). Также установим максимальный логический уровень напряжения, значение сопротивления шунтирующего резистора, определим необходимые контакты.
