Реле

Реле и его использование в связке с ESP8266

Реле (фр. relais) - устройство который при воздействии на него внешних физических явлений скачкообразно принимает конечное число значений выходной величины. Это дурацкое определение в котором нет ни какой конкретики.

Понятно что рассматривать мы будем только электрические реле. А еще бывают: механические, тепловые, оптические, магнитные, акустические, но они в контексте этой статьи нам не интересны.

Реле – это электрическое или электромагнитное устройство реагирующее на управляющий сигнал входная величина которого (ток, напряжение) замыкают или размыкают его контакты.

Классификация реле большая, их очень много я не буду приводит ее, а то она займет больше половины статьи, да и не нужно это тут.

Я буду упоминать только то что важно для подключения к микроконтроллерам типа Ардуино или ESP8266

По строению

• Электромагнитное (электромеханическое) реле есть механическая составляющая.

• Твердотельное (механики нет )

По контактам делятся на:

• нормально замкнутыми (Normally Closed, NC)

• нормально разомкнутыми (Normally Open, NO)

• Сочетаются в одном реле, смотря куда вы будите подключать нагрузку

По продолжительности действия управляющим импульсом

• Одностабильное (моностабильное) реле - реле, которое, изменив свое состояние под воздействием входного импульса, возвращается в начальное состояние, когда устраняют это воздействие. Т.е. для поддержания коммутации тратится энергия.

• Двустабильное (бистабильное, импульсное) реле называют потому что переключение в состояние включено или выключено происходит при импульсной подаче сигнала на управляющий вход, а затем выбранное состояние реле поддерживается без затрат энергии.

Далее рассмотрим электромагнитное реле, твердотельные рассмотрим позже, а то и так статья получается огромной

Электромагнитное (электромеханическое) реле

По сути это механическим выключатель: подали на него ток – оно замкнуло контакты, сняли ток – разомкнуло.

Как работает реле

Мы хорошо знаем что провод, по которому течет ток, является магнитом. Если мы намотаем провод витками на сердечник, то получится катушка индуктивности, которая будет проявлять электромагнитные свойства при пропускании тока - притягивать железо и такая подвижная железная пластина называется якорем. Якорь соединен с контактами которые замыкаются или размыкаются. Все просто.

Реле состоит из:

• Электромагнита (катушки),

• Якоря

• Соединяющих элементов и контактов

Принцип работы

При подаче тока на катушку вместе с электрическим током возникает магнитное поле все это происходит не сразу, а с запаздыванием , так как нужно время на нарастание силы тока и силы магнитного поля для притягивания якоря, кроме того якорь должен передвинутся на определённое расстояние на это то же нужно время и вот тогда реле сработает. Это называется гистерезис - отставание или запаздывание.

После разрыва цепи катушки все происходит в обратной последовательности и возникает плохое явление самоиндукции, и о нем ниже.

Положительные и отрицательные стороны электромагнитного реле

Положительные

Простое и дешевое.

Отрицательные

• Так как контакт механический он изнашивается.

• При замыкании контактов издает звук - противно щёлкает!

• Пропуская большой ток контакты могут не выдерживать и нагреваться, а нагревание приведет к сплавлению. Называется это залипание контактов (см. далее)

• Необходимы дополнительные цепи для управления реле, так как катушка является индуктивной нагрузкой (см. далее)

• Очень большие наводки на всю линию питания при коммутации особенно индуктивной нагрузки (см. далее)

• Относительно долгое переключение (невозможно поставить детектор нуля), при управлении индуктивными цепями переменного тока можно попасть на большой индуктивный выброс, необходимо ставить искрогасящие цепи (см. далее)

Распиновка, распайка

Мы сейчас говорим именно о реле, а не о готовых платах - модулях реле для подключения к Ардуино или ESP8266

Ну все предельно понятно, управляющие сигналы поступают на катушку которая замыкает контакты

Или вот еще одна схема распиновки.

Вот как это в реальности выглядит полностью соответствует схемам выше, но нет одного контакта

Да, одного из правых контактов может не быть, тогда реле способно работать только на замыкание, а контакта на размыкание не будет. Т.е такое реле нормально замкнутое (NC)

Характеристики реле

• Время срабатывания – промежуток времени между поступлением управляющего сигнала и воздействием на управляемые цепи.

• Уставка – величина управляющего сигнала (тока, напряжения)при которой происходит срабатывание реле.

• Коммутируемая мощность – допустимая мощность электроцепи или электроустановки, которой будет управлять реле.

Так на всех реле написаны самые основные данные, например

Huanbang

HB3FF - 12VDC

10А 277VAC

15A 125VAC

Так это реле управляется напряжение не более 12 вольт

Коммутирующая нагрузка 10А - 277VAC или 15A - 125VAC

Время срабатывания в контексте этой статьи нам не важно, но помним все электромагнитные реле - тормоза, время срабатывания у них большое и об этом еще ниже

Представители

Их много, но вот для примера

Чёрненькие реле на 12 вольт

Реле Huanbang HB3FF - 12VDC 10А 277VAC 15A125

Управляется напряжение не более 12 вольт

Коммутирующая нагрузка 10А - 277VAC или 15A - 125VAC

Выдрал я их из китайских люстр с дистанционным управлением

Синенькие реле

Вот они в составе модуля, тут есть оптроны, а значит гальваническая развязка, что есть хорошо

Опторазвязки нет,

но есть транзистор S8550, (2TY)

Но о модулях мы поговорим в следующий раз, а то и так большая статья получается.

Особенности подключение реле к микроконтроллерам (Ардуино, ESP8266)

Особенности складываются из за катушки которая входит в состав реле и механических контактов.

Про катушку

Напомню что для ESP8266 vаксимальный ток с пина или на пин: 12 мА (0,012А), рекомендуемый 6мА (0,006А), а для Ардуино максимальный ток на пине - 40 мА (0,04А) )

Катушка реле потребляет около 60 мА (0,06А), то есть подключать реле напрямую к плате Ардуины, а тем более к ESP8266 опасно нужно использовать транзисторы, например 2n2222, см статью: "Транзистор 2N2222 (MMBT2222) и его применение в связке с ESP8266"

Кроме всего прочего в реле используются механические контакты

Про контакты

Контакты это именно контакты: металлические пятаки, которые прижимаются друг к другу, поэтому такое реле может управлять как нагрузкой постоянного, так и переменного тока.

• Пропуская большой ток контакты могут не выдерживать и нагреваться, а нагревание приведет к сплавлению. Называется это залипание контактов (см. далее)

• Необходимы дополнительные цепи для управления реле, так как катушка является индуктивной нагрузкой (см. далее)

• Очень большие наводки на всю линию питания при коммутации особенно индуктивной нагрузки (см. далее)

• Относительно долгое переключение (невозможно поставить детектор нуля), при управлении индуктивными цепями переменного тока можно попасть на большой индуктивный выброс, необходимо ставить искрогасящие цепи (см. далее)

Про защитный диод

Сама катушка реле является индуктивной нагрузкой, и с этим мы сейчас разберем.

Из физики мы помним что есть только электромагнитное поле, электрического поля без магнитного нет, они близнецы братья, там где есть магнитное поле есть электрическое и наоборот. Катушка намотана и служит для того что бы дать нам магнитное поле которое притянет якорь и подключит или отключит контакты. А что же произойдет когда электрическое поле исчезнет если мы разорвем контакт обмотки катушки. Магнитное поле еще останется в сердечнике катушки и будет производить электрическое поле появится электричество, но не на долго, на долго его не хватит, но пиковый скачок напряжение будет и он может быть в разы больше чем то напряжение которым питалось катушка изначально, называется это электродвижущая сила самоиндукции катушки. И еще очень важно полярность на катушке помянет значение т. е. там где был плюс станет минус и наоборот

Поэтому мы поставим туда диод, но наоборот - обратным подключением, плюс (анод) к минусу, а минус (катод) к плюсу цепи. Тогда при обычной работе диод диэлектрик и ни какой роли не играет, а вот при возникновении самоиндукции диод начинает работать и вызывает замыкание цепи! Да как так, скажите Вы, замыкание это плохо. Да замыкание это плохо, но это очень короткое замыкание (тут смайлик) большим напряжением, оно в 10 раз может больше того которое было на катушке (до 150 вольт, если раньше на катушке было 12 вольт), но с маленьким током. И даже самый обычный диод все выдержит! Хотя нужно смотреть на такой параметр как обратное напряжение, даже классика как 1N4007 выдерживать обратное напряжение аж до 1000 вольт и прямой ток до 1 ампера, а ток импульса намного меньше.

Диод нужно установит как можно ближе к катушке, для того что бы токи не разбегались по все плате (помним что это напряжение аж до 150 вольт) и не вызывали помехи или пробоя, а сразу же совершили работу по короткому замыканию (выделению тепла) тут же у катушки реле.

Кстати, диод нужно ОБЯЗАТЕЛЬНО ставить не только на реле, но и при управлении различной индуктивной нагрузкой (электромотор, соленоид, клапан, электромагнит и так далее) короче если есть длинные провода, а различная обмотка это то же провода по сути - ставьте диод.

Фильтры

Если силовая часть питается от одного источника с микроконтроллером, то помехи по питанию неизбежны. Простейший способ защитить МК от таких помех – конденсаторы по питанию как можно ближе к МК:

электролит 470 uF (мкФ) 6V (естественно можно больше)

Керамический на 0.1-1 мкФ, они сгладят короткие просадки напряжения.

Искрогасящие цепи AC

Выбросы ЭДС после отключения нагрузки присутствуют и в цепях переменного тока, особенно если нагрузка может быть выключена в случайный момент времени, а не во время перехода через 0. Появляется искрения в месте контактов, что плохо как для самих контактов таки вообще. Для подавление этого процесса используются снабберные (демпферные) цепи, мы не будем углубляется в эту тему, но для большинства применений подойдут цепи из резистора и конденсатора.

Вот схема:

Где:

R -резистор 39 Ом 0.5 Вт

С- конденсатор 0.1 мкФ 400V

В некоторых твердотельных реле уже может стоять снабберная цепь

Модули реле

Нужно сказать что очень часто покупаются не отдельные реле, а готовая плата с реле - модуль реле, как выше. А вот что распаяно кроме самого реле нужно уточнять так как могут быть варианты

Модуль реле - это плата, на которой стоит само реле, а также цепи коммутации, защиты и даже может быть оптическая развязка.

Такие модули могут содержать не одно реле а до 8-16 штук

Пины питания VCC (Vin, 5V) и GND подключаются к питанию, реле управляется логическим сигналом, поданным на пин IN. С другой стороны стоит клеммник для подключения проводов, обычно контакты подписаны как NO, NC и COM. Это общепринятые названия пинов кнопок, переключателей и реле:

• COM – Common, общий. Реле является переключающим, и пин COM является общим.

• NO – Normal Open, нормально открытый. При неактивном реле данный контакт не соединён с COM. При активации реле он замыкается с COM.

• NC – Normal Closed, нормально закрытый. При неактивном реле данный контакт соединён с COM. При активации реле он размыкается с COM.

Модули реле бывают трех типов:

• Низкого уровня (ноль, земля, LOW) Низкий уровень на управляющем пине переключает реле.

• Высокого уровня (единица, LOW) Высокий уровень на управляющем пине переключает реле.

• Универсальные с выбором по какому сценарию работать

Модуль реле с светодиодной индикацией без опторазвязки

Технические параметры

► Напряжение питания: 5 / 12 В

► Потребляемый ток: 15 мА … 20 мА

► Сигнал включение: 0 В (низкий уровень), 1 (высокий уровень)

► Оптическая изоляция: нет

► Количество реле: 1 шт.

► Тип реле: электромеханическое

► Номинальный ток нагрузки: 10 А

► Коммутируемое напряжение: 250VAC, 30VDC

► Габариты: 43мм x 20мм x 18мм

На задней части платы нарисован схема подключения нагрузки и указана модель реле, в моем случаи Low Level Trigger (переключение при «0»), так-же существует High Level Trigger (переключение при «1»)

Транзистор S8550, (2TY) биполярный PNP, 40В 0.5A, 100МГц, SOT23 Подробнее: https://epstik.com/p499147250-s8550-2ty-tranzistor.html

Твердотельные

Эти электронные устройства компактны и долговечны, благодаря отсутствию трущихся механических частей. Работу механики здесь выполняют полупроводниковые элементы – биполярные и МОП-транзисторы, тиристоры, симисторы. По сравнению с твердотельными, они имеют следующие преимущества:

• Низкий уровень шума при работе.

• Очень высокая наработка на отказ, которая в 100 раз и более превышает ресурс электромагнитных устройств.

• Быстродействие, составляющее доли миллисекунд, у электромагнитных 50 мс – 1с.

• Электропотребление ниже на 95 %.

Однако твердотельные реле имеют не только достоинства, но и недостатки. Одним из них является слабая устойчивость к импульсным перенапряжениям, которые электромагнитным реле практически не страшны. При использовании твердотельных реле необходимо предусмотреть схемотехническое решение, которое ограничивает эти импульсы. Есть и еще минусы – нагрев при работе, наличие токов утечки, приводящих к наличию напряжения на фазном проводе даже при отключенном реле.

Сининки такие реле

2 реле с номиналами 10 А при 250 и 125 В переменного тока и 10 А при 30 и 28 В постоянного тока.