Как безопасно подключать внешние устройства к микроконтроллеру? Схема управления реле Как подключить реле к микроконтроллеру.

Привет, Geektimes!

Управление мощными нагрузками - достаточно популярная тема среди людей, так или иначе касающихся автоматизации дома, причём в общем-то независимо от платформы: будь то Arduino, Rapsberry Pi, Unwired One или иная платформа, включать-выключать ей какой-нибудь обогреватель, котёл или канальный вентилятор рано или поздно приходится.

Традиционная дилемма здесь - чем, собственно, коммутировать. Как убедились многие на своём печальном опыте, китайские реле не обладают должной надёжностью - при коммутации мощной индуктивной нагрузки контакты сильно искрят, и в один прекрасный момент могут попросту залипнуть. Приходится ставить два реле - второе для подстраховки на размыкание.

Вместо реле можно поставить симистор или твердотельное реле (по сути, тот же тиристор или полевик со схемой управления логическим сигналом и опторазвязкой в одном корпусе), но у них другой минус - они греются. Соответственно, нужен радиатор, что увеличивает габариты конструкции.

Я же хочу рассказать про простую и довольно очевидную, но при этом редко встречающуюся схему, умеющую вот такое:

• Гальваническая развязка входа и нагрузки
• Коммутация индуктивных нагрузок без выбросов тока и напряжения
• Отсутствие значимого тепловыделения даже на максимальной мощности

Но сначала - чуть-чуть иллюстраций. Во всех случаях использовались реле TTI серий TRJ и TRIL, а в качестве нагрузки - пылесос мощностью 650 Вт.

Классическая схема - подключаем пылесос через обычное реле. Потом подключаем к пылесосу осциллограф (Осторожно! Либо осциллограф, либо пылесос - а лучше оба - должны быть гальванически развязаны от земли! Пальцами и яйцами в солонку не лазить! С 220 В не шутят!) и смотрим.

Включаем:

Пришлось почти на максимум сетевого напряжения (пытаться привязать электромагнитное реле к переходу через ноль - задача гиблая: оно слишком медленное). В обе стороны бабахнуло коротким выбросом с почти вертикальными фронтами, во все стороны полетели помехи. Ожидаемо.

Выключаем:

Резкое пропадание напряжения на индуктивной нагрузке не сулит ничего хорошего - ввысь полетел выброс. Кроме того, видите вот эти помехи на синусоиде за миллисекунды до собственно отключения? Это искрение начавших размыкаться контактов реле, из-за которого они однажды и прикипят.

Итак, «голым» реле коммутировать индуктивную нагрузку плохо. Что сделаем? Попробуем добавить снаббер - RC-цепочку из резистора 120 Ом и конденсатора 0,15 мкФ.

Включаем:

Лучше, но не сильно. Выброс сбавил в высоте, но в целом сохранился.

Выключаем:

Та же картина. Мусор остался, более того, осталось искрение контактов реле, хоть и сильно уменьшившееся.

Вывод: со снаббером лучше, чем без снаббера, но глобально проблемы он не решает. Тем не менее, если вы желаете коммутировать индуктивные нагрузки обычным реле - ставьте снаббер. Номиналы надо подбирать по конкретной нагрузке, но 1-Вт резистор на 100-120 Ом и конденсатор на 0,1 мкФ выглядят разумным вариантом для данного случая.

Литература по теме: Agilent - Application Note 1399, «Maximizing the Life Span of Your Relays ». При работе реле на худший тип нагрузки - мотор, который, помимо индуктивности, при старте имеет ещё и очень низкое сопротивление - добрые авторы рекомендуют уменьшить паспортный ресурс реле в пять раз .

А теперь сделаем ход конём - объединим симистор, симисторный драйвер с детектированием нуля и реле в одну схему.

Что есть на этой схеме? Слева - вход. При подаче на него «1» конденсатор C2 практически мгновенно заряжается через R1 и нижнюю половину D1; оптореле VO1 включается, дожидается ближайшего перехода через ноль (MOC3063 - со встроенной схемой детектора нуля) и включает симистор D4. Нагрузка запускается.

Конденсатор C1 заряжается через цепочку из R1 и R2, на что уходит примерно t=RC ~ 100 мс. Это несколько периодов сетевого напряжения, то есть, за это время симистор успеет включиться гарантированно. Далее открывается Q1 - и включается реле K1 (а также светодиод D2, светящий приятным изумрудным светом). Контакты реле шунтируют симистор, поэтому далее - до самого выключения - он в работе участия не принимает. И не греется.

Выключение - в обратном порядке. Как только на входе появляется «0», C1 быстро разряжается через верхнее плечо D1 и R1, реле выключается. А вот симистор остаётся включённым примерно 100 мс, так как C2 разряжается через 100-килоомный R3. Более того, так как симистор удерживается в открытом состоянии током, то даже после отключения VO1 он останется открытым, пока ток нагрузки не упадёт в очередном полупериоде ниже тока удержания симистора.

Включение:

Выключение:

Красиво, не правда ли? Причём при использовании современных симисторов, устойчивых к быстрым изменениям тока и напряжения (такие модели есть у всех основных производителей - NXP, ST, Onsemi, etc., наименования начинаются с «BTA»), снаббер не нужен вообще, ни в каком виде.

Более того, если вспомнить умных людей из Agilent и посмотреть, как меняется потребляемый мотором ток, получится вот такая картинка:

Стартовый ток превышает рабочий более чем в четыре раза. За первые пять периодов - то время, на которое симистор опережает реле в нашей схеме - ток падает примерно вдвое, что также существенно смягчает требования к реле и продлевает его жизнь.

Да, схема сложнее и дороже, чем обычное реле или обычный симистор. Но часто она того стоит.

Многие начинающие радиолюбители начинают знакомится с электроникой с простых схем, которых полно в интернете. Но если это устройство управления, в котором к схеме подключается какой-то исполнительный механизм, а в схеме способ подключения не указан, то тогда новичку приходится туго. Данная статья была написана с целью помощи начинающим радиолюбителям разобраться с этой проблемой.

Нагрузки постоянного тока.

Первый способ - подключение через резистор

Самый простой способ - подходит для несильноточных нагрузок - светодиодов.

Rгас = (U/ I) – Rн

Где U - напряжение питания(в Вольтах), I - допустимый ток через схему(в Амперах), Rн - сопротивление нагрузки(в Омах)

Второй способ - Биполярный транзистор

Если потребляемый ток нагрузки больше, чем максимальный отдаваемый ток Вашего устройства, то резистор тут не поможет. Нужно увеличить ток. Для этого обычно испоьзуют транзисторы.

В данной схеме применен n-p-n транзистор, включенный по схеме ОЭ. При таком способе можно подключать нагрузку с большим напряжением питания, чем питание Вашего устройства. Резистор R1 нужен для ограничения тока, протекающего через транзистор, обычно ставится на 1-10 кОм.

Третий способ - полевой транзистор

Для управления нагрузкой, ток которой составляет десятки ампер(особо мощные электродвигатели, лампы и тд) применяется полевой транзистор.

Резистор R1 ограничивает ток через затвор. Так как полевой транзистор управляется малыми токами и если выход Вашего устройства, к которому подключен затвор, окажется в высокоимпедансном Z-состоянии полевик начнет открываться-закрываться непредсказуемо, вылавливая помехи. Для устранения такого поведения выход устройства «прижимается» к земле резистором 10кОм.
У полевого транзистора есть особенность - его медлительность. При превышении допустимой частоты он станет перегреватся.

Переменный ток.

Первый способ - реле.

Самым простым способом управления нагрузкой переменного тока является реле. Реле, само по себе является сильноточной нагрузкой - нужно включать через биполярный или полевой транзистор.

Недостатки реле - его медлительность и механический износ деталей.

В данной статье рассказывается как микроконтроллер может управлять внешней нагрузкой при помощи электромагнитного реле.

При конструировании устройств на микроконтроллерах часто возникает необходимость управления различными внешними устройствами посредством включения и выключения напряжения питания. Причем напряжение питания и ток потребления таких устройств могут меняться в самых широких пределах. Универсальным способом управления подобными устройствами является электромагнитное реле. В настоящее время в продаже появились малогабаритные реле с довольно не плохими параметрами. Сегодня реле могут коммутировать нагрузку в цепи до 220 вольт при токе до 10 ампер и выше. Обмотка реле обычно расчитана на напряжение 12В и потребляет ток всего 40 мА. Это позволяет использовать для его управления ключ на маломощном транзисторе. Например на широко распространенном КТ315. Можно взять импортный BC547. Схема подключения реле к микроконтроллеру приведена на следующем рисунке:

Схема подключения реле

Для того, что бы включить нагрузку микроконтроллер выставляет на своем выходе (в данном случае на выходе PB4) сигнал логической единицы. Напряжение через резистор R1 поступает на базу транзистора. Танзистор открывается и реле срабатывает. Его контакты замыкают цепь нагрузки. Для отключения нагрузки микроконтроллер выставляет на своем выходе сигнал логического нуля. На базе VT1 напряжения снижается до нуля. Транзистор закрывается и реле отключается. Диод VD1 служит для защиты схемы от напряжения самоиндукции, которое возникает в обмотке реле при снятии с нее напряжения. Резистор R2 нужен для более надежного закрывания транзистора VT1.

В то время, как микроконтроллер питаетя от стабилизированного источника +5В, ключ и реле получает питание от нестабилизированного напряжения +12В. Это напряжение снимается с того же выпрямителя но до стабилизатора. Подробнее смотрите в статье "Схема блока питания".

В этой статье рассматривается схема стабилизированного блока питания, которая может использоваться для питания простого микропроцессорного устройства.

Как известно, для питания цифровых микросхем необходимо стабилизированное напряжения 5В. Заметим, что современные микроконтроллеры способны работать в широком диапазоне питающих напряжений. Обычно от 3 до 6 вольт. Главное требование, что бы напряжение было стабилизированное. То есть не менялось при изменении нагрузки. Однако, обычно любое микропроцессорное устройство кроме cамого микроконтроллера содержит ряд других микросхем, которые обычно более требовательны к напряжению питания. Поэтому правильнее всего, если нет каких нибудь специальных причин, выбирать напряжение питания +5В. Такое напряжение питания широко используется в электронной технике. Поэтому промышленность давно уже наладила производство специальных микросхем - стабилизаторов напряжения. Для большинства применений подойдет микросхема 7905 или ее отечественный аналог КРЕН5. Ниже на рисунке приведена схема блока питания, который расчитан на питание практически любого устройства на микроконтроллерах.

Схема блока питания

Трансформатор T1 понижает сетевое напряжение до требуемой величины (примерно 8...9 вольт). Выпрямитель VD1 выпрямляет его. Предварительный фильтр C1 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения и в результате на вход стабилизатора DA1 поступает постоянное нестабилизированное напряжение примерно равное 12 В. С выхода стабилизатора стабилизированное напряжение 5В поступает на выход (на питание цифровых цепей микроконтроллерного устройства. Нестабилизированное напряжение +12В так же поступает для питания некоторых цепей микроконтроллерного устройства. Обычно это силовые цепи, не требующие стабилизации напряжения: светодиоды, реле и т.п. Подключение таких цепей до стабилизатора существенно разгружает микросхему DA1 облегчает ее тепловой режим, повышает надежность и увеличивает КПД. Дополнительный фильтр С2, С3 служит для подавления помех по питанию. Причем электролит C3 служит для подавления низкочастотных помех, а керамический конденсатор C2 подавляет высочастотные помехи.

Кроме собственно цепей питания приведенная схема содержит специальные цепи, позволяющие получать сигнал, синхронный с частотой сетевого напряжения. Такой сигнал может подаваться на компаратор, входящий в состав многих микроконтроллеров и позволяет реализовать алгоритмы управления тиристорными либо оптодинисторными ключами для плавной регулировки мощности на нагрузке. В таких алгоритмах процессор отсчитывает необходимую задержку от начала текущего полупериода сетевого напряжения и по истечении этой задержки включает тиристор. В конце полупериода, когда мгновенное напряженияе переходит через ноль, тиристор закрывается и микроконтроллер отсчитывает очередную задержку. Изменяя время задержки можно изменять длительность импульсов, поступающих на нагрузку и тем самым изменять мощность, отдаваемую в эту нагрузку.

В этой статье рассказывается, как подключать индикаторы на одиночных светодиодах к микроконтроллеру.

Ни одно устройство на основе микроконтроллера не обходится без световых индикаторов. В качестве одиночных светоизлучателей удобнее всего использовать светодиоды. Современные микроконтроллеры (в частности микроконтроллеры серии AVR) имеют достаточно мощные выходные схемы. Они рассчитаны на выходной ток до 40 мА. Этого вполне достаточно для непосредственного подключения одного маломощного светодиода. На следующем рисунке показано, как можно подключить светодиод к выходу микроконтроллеру.

Непосредственное подключение светодиода

Простой маломощный светодиодный индикатор - это самый распространенный способ индицирования. Именно такие индикаторы мы видим на подавляющем большинстве конструкций. Однако, иногда к микроконтроллеру необходимо подключить более мощные светодиоды. Это светодиоды повышенной яркости свечения или светодиоды большой площади излучения. В том случае, когда ток потребления светодиода превышает 40 мА, применяется электронный ключ на транзисторе. Ниже приводится схема подобного подключения.

Подключение при помощи электронного ключа

При использовании транзистора КТ315 можно подключать светодиод с током потребления до 100 мА. Если нужно подключить светодиод с еще большим током потребления, то необходимо подобрать другой, более мощный транзистор.

В данной статье освещаются вопросы подключения к микроконтроллеру различных кнопок и клавиш.

Практически ни одна микропроцессорная система не обходится без кнопок, клавиш, концевых контактов и тому подобных элементов коммутации. Любое подобное коммутационное устройство - это просто пара контактов, которые замыкаются при нажатии на клавишу (кнопку) или при другом механическом воздействии. Например, при срабатывании концевого выключателя управляемого механизма. Поэтому подключение любого вышеописанного устройства сводится к подключению к микроконтроллеру пары контактов. Микроконтроллеры серии AVR довольно неплохо приспособлены для работы именно с кнопками. Каждый из выводов каждого порта имеет специальные средства, облегчающие подключение внешних контактов.

На рисунке 1 показан типовой способ подключение пары контактов к порту микроконтроллера. Рассмотрим подробнее принцип работы этой схемы. Но прежде мы должны вспомнить, что любой из выводов любого порта может работать в одном из двух режимов: либо как вход, либо как выход. Естественно, в нашем случае соответствующий вывод должен быть переведен в режим входа. В этом режиме имеется возможность программным путем при необходимости подключать к любой внешней линии внутренний резистор нагрузки. На рисунке 1 этот резистор обозначен R. Этот резистор специально введен для того, что бы работать с внешними контактами. При создании программы для всех входов, к которым подключены контакты, не забудьте предусмотреть команды, включающие этот резистор. Если же вход предназначен для других целей, то скорее всего резистор необходимо отключить. Электронный ключ, который программно включает и отключает внутренний резистор нагрузки условно показан на рисунке 1 и обозначен как K.

И так, вывод порта запрограммирован как вход, внутренний резистор нагрузки включен. Если внешние контакты K1 разомкнуты, то на входе присутствует напряжение, близкое к напряжению питания, которое поступает через резистор R. При считывании информации из порта в данном разряде будет логическая единица. Если же контакты замкнуть, то линия порта будет замкнута на общий провод. Напряжение на входе станет равным нулю. При считывании информации в данном разряде порта появится ноль. Таким образом считывая информацию из порта и анализируя значение соответствующего разряда микроконтроллер всегда может определить, замкнуты контакты или нет. Если разряд равен нулю - контакты замкнуты, единице - разомкнуты.

Указанным выше образом можно подключить отдельную пару контактов при желании ко всем выводам всех портов. Однако такой подход не назовешь рациональным. Кроме клавиш к портам микроконтроллера должны подключаться и другие устройства: индикаторы, реле, датчики, последовательные каналы связи и многое другое. Поэтому, для экономии выводов и для упрощения схемы применяют матрицы клавиш. Схема типичной матрицы из 16 клавиш приведена на рисунке 2.

Для подключения матрицы используется весь порт PB микроконтроллера и еще две линии порта PD. Как видно из схемы каждый из выводов порта PB подключен сразу к двум кнопкам. Например, вывод PB0 подключен к кнопке S1 и S9. Вывод PB1 к S2 и S10 и так далее. Второй контакт каждой кнопки подключен к одной из линий PD5 или PD6. В результате образуется матрица. Она напоминает решетку. Два вертикальных провода и восемь горизонтальных. В каждом пересечении этих проводов вставлено по кнопке.

Как же работает эта матрица. Для правильной работы необходимо все выводы порта PB перевести в режим входов и включить для каждого из этих входов внутренний нагрузочный резистор. А два вывода порта PD (PD5 и PD6) нужно перевести в режим выходов. Для того, что бы считать состояние кнопок микроконтроллер должен сначала подать на выход PD6 сигнал логического нуля, а на выход PD5 сигнал логической единицы. Затем он должен прочитать байт из порта PB. Этот байт будет содержать информацию о состоянии кнопок S1...S8. Каждый бит будет отвечать за свою кнопку. Нулевой бит (PB0) за кнопку S1, первый бит (PB1) за кнопку S2 и т.д. Если кнопка нажата, то в соответствующем разряде будет ноль, если не нажата - единица. После анализа нажатия первой половины кнопок, микроконтроллер должен установить на выходе PD5 логический ноль, а на выходе PD6 - единицу. И опять считать байт из порта PB. Теперь этот байт будет содержать информацию о состоянии кнопок S9...S16. Опрашивая таким образом то первую то вторую половину кнопок, микроконтроллер может реагировать на нажатие каждой из кнопок отдельно.

Описанная выше матрица может быть легко расширена. Можно взять не две вертикальные линии, а три, четыре и так далее. Для данного микроконтроллера максимально возможная матрица имеет размеры 7X8. Так как порт PD имеет лишь семь линий. Общее количество кнопок при этом будет равно 56.

В следующих статьях будут устройства, которые должны управлять внешней нагрузкой. Под внешней нагрузкой я понимаю все, что прицеплено к ножкам микроконтроллера – светодиоды, лампочки, реле, двигатели, исполнительные устройства … ну Вы поняли. И как бы не была заезжена данная тема, но, чтобы избежать повторений в следующих статьях, я все-же рискну быть не оригинальным — Вы уж меня простите:). Я кратенько, в рекомендательной форме, покажу наиболее распространенные способы подключения нагрузки (если Вы что-то захотите добавить – буду только рад).
Сразу договоримся, что речь идет о цифровом сигнале (микроконтроллер все-таки цифровое устройство) и не будем отходить от общей логики: 1 -включено, 0 -выключено. Начнем.

Нагрузкой постоянного тока являются: светодиоды, лампы, реле, двигатели постоянного тока, сервоприводы, различные исполнительные устройства и т.д. Такая нагрузка наиболее просто (и наиболее часто) подключается к микроконтроллеру.

1.1 Подключение нагрузки через резистор.
Самый простой и, наверно, чаще всего используемый способ, если речь идет о светодиодах.

Резистор нужен для того, чтобы ограничить ток протекающий, через ножку микроконтроллера до допустимых 20мА . Его называют балластным или гасящим. Примерно рассчитать величину резистора можно зная сопротивление нагрузки Rн.

Rгасящий = (5v / 0.02A) – Rн = 250 – Rн

Как видно, даже в самом худшем случае, когда сопротивление нагрузки равно нулю достаточно 250 Ом для того, что бы ток не превысил 20мА. А значит, если неохота чего-то там считать — ставьте 300 Ом и Вы защитите порт от перегрузки. Достоинство способа очевидно – простота.

1.2 Подключение нагрузки при помощи биполярного транзистора.
Если так случилась, что Ваша нагрузка потребляет более 20мА, то, ясное дело, резистор тут не поможет. Нужно как-то увеличить (читай усилить) ток. Что применяют для усиления сигнала? Правильно. Транзистор!

Для усиления удобней применять n-p-n транзистор, включенный по схеме ОЭ . При таком способе можно подключать нагрузку с большим напряжением питания, чем питание микроконтроллера. Резистор на базе – ограничительный. Может варьироваться в широких пределах (1-10 кОм), в любом случае транзистор будет работать в режиме насыщения. Транзистор может быть любой n-p-n транзистор. Коэффициент усиления, практически не имеет значения. Выбирается транзистор по току коллектора (нужный нам ток) и напряжению коллектор-эмиттер (напряжение которым запитывается нагрузка). Еще имеет значение рассеиваемая мощность — чтоб не перегрелся.

Из распространенных и легко доступных можно заюзать BC546, BC547, BC548, BC549 с любыми буквами (100мА), да и тот-же КТ315 сойдет (это у кого со старых запасов остались).
- Даташит на биполярный транзистор BC547

1.3 Подключение нагрузки при помощи полевого транзистора.
Ну а если ток нашей нагрузки лежит в пределах десятка ампер? Биполярный транзистор применить не получиться, так как токи управления таким транзистором велики и скорей всего превысят 20мА. Выходом может служить или составной транзистор (читать ниже) или полевой транзистор (он же МОП, он же MOSFET). Полевой транзистор просто замечательная штука, так как он управляется не током, а потенциалом на затворе. Это делает возможным микроскопическим током на затворе управлять большими токами нагрузки.

Для нас подойдет любой n-канальный полевой транзистор. Выбираем, как и биполярный, по току, напряжению и рассеиваемой мощности.

При включении полевого транзистора нужно учесть ряд моментов:
— так как затвор, фактически, является конденсатором, то в моменты переключения транзистора через него текут большие токи (кратковременно). Для того чтобы ограничить эти токи в затвор ставиться ограничивающий резистор.
— транзистор управляется малыми токами и если выход микроконтроллера, к которому подключен затвор, окажется в высокоимпедансном Z-состоянии полевик начнет открываться-закрываться непредсказуемо, вылавливая помехи. Для устранения такого поведения ножку микроконтроллера нужно «прижать» к земле резистором порядка 10кОм.
У полевого транзистора на фоне всех его положительных качеств есть недостаток. Платой за управление малым током является медлительность транзистора. ШИМ, конечно, он потянет, но на превышение допустимой частоты он Вам ответит перегревом.

1.4 Подключение нагрузки при помощи составного транзистора Дарлингтона.
Альтернативой применения полевого транзистора при сильноточной нагрузке является применение составного транзистора Дарлингтона. Внешне это такой-же транзистор, как скажем, биполярный, но внутри для управления мощным выходным транзистором используется предварительная усилительная схема. Это позволяет малыми токами управлять мощной нагрузкой. Применение транзистора Дарлингтона не так интересно, как применение сборки таких транзисторов. Есть такая замечательная микросхема как ULN2003. В ее составе аж 7 транзисторов Дарлингтона, причем каждый можно нагрузить током до 500мА, причем их можно включать параллельно для увеличения тока.

Микросхема очень легко подключается к микроконтроллеру (просто ножка к ножке) имеет удобную разводку (вход напротив выхода) и не требует дополнительной обвязки. В результате такой удачной конструкции ULN2003 широко используется в радиолюбительской практике. Соответственно достать ее не составит труда.
- Даташит на сборку Дарлингтонов ULN2003

Если Вам нужно управлять устройствами переменного тока (чаще всего 220v), то тут все сложней, но не на много.

2.1 Подключение нагрузки при помощи реле.
Самым простым и, наверное, самым надежным есть подключение при помощи реле. Катушка реле, сама собой, является сильноточной нагрузкой, поэтому напрямую к микроконтроллеру ее не включишь. Реле можно подключить через транзистор полевой или биполярный или через туже ULN2003, если нужно несколько каналов.

Достоинства такого способа большой коммутируемый ток (зависит от выбранного реле), гальваническая развязка. Недостатки: ограниченная скорость/частота включения и механический износ деталей.
Что-то рекомендовать для применения не имеет смысла — реле много, выбирайте по нужным параметрам и цене.

2.2 Подключение нагрузки при помощи симистора (триака).
Если нужно управлять мощной нагрузкой переменного тока а особенно если нужно управлять мощностью выдаваемой на нагрузку (димеры), то Вам просто не обойтись без применения симистора (или триака). Симистор открывается коротким импульсом тока через управляющий электрод (причем как для отрицательной, так и для положительной полуволны напряжения). Закрывается симистор сам, в момент отсутствия напряжения на нем (при переходе напряжения через ноль). Вот тут начинаются сложности. Микроконтроллер должен контролировать момент перехода через ноль напряжения и в точно определенный момент подавать импульс для открытия симистора — это постоянная занятость контроллера. Еще одна сложность это отсутствие гальванической развязки у симистора. Приходится ее делать на отдельных элементах усложняя схему.

Хотя современные симисторы управляются довольно малым током и их можно подключить напрямую (через ограничительный резистор) к микроконтроллеру, из соображений безопасности приходится их включать через оптические развязывающие приборы. Причем это касается не только цепей управления симистором, но и цепей контроля нуля.

Довольно неоднозначный способ подключения нагрузки. Так как с одной стороны требует активного участия микроконтроллера и относительно сложного схемотехнического решения. С другой стороны позволяет очень гибко манипулировать нагрузкой. Еще один недостаток применения симисторов — большое количество цифрового шума, создаваемого при их работе — нужны цепи подавления.

Симисторы довольно широко используются, а в некоторых областях просто незаменимы, поэтому достать их не составляет каких либо проблем. Очень часто в радиолюбительстве применяют симисторы типа BT138.

Что нужно для того, чтобы стать профессиональным разработчиком программ для микроконтроллеров и выйти на такой уровень мастерства, который позволит с лёгкостью найти и устроиться на работу с высокой зарплатой (средняя зарплата программиста микроконтроллеров по России на начало 2017 года составляет 80 000 рублей). ...

Как вы понимаете, мощную и/или высоковольтную нагрузку (такую как лампы накаливания, электродвигатели, электронагревательные элементы и т.п.) нельзя напрямую подключить к . Потому что выходы микроконтроллера:

1. Не рассчитаны на работу с высоким напряжением.
2. Не рассчитаны на управление мощной нагрузкой (нагрузкой, которая потребляет большой ток).
3. Не имеют гальванической развязки (иногда это важно даже при управлении слаботочной нагрузкой).

Из этого следует, что для управления с помощью микроконтроллера мощной нагрузкой необходимо применять какие-то хитрые способы сопряжения выходов микроконтроллера с нагрузкой. Этих способов несколько:

1. Подключение нагрузки через твёрдотельное реле.

Более подробно эти виды подключения будут рассмотрены в соответствующих статьях. А здесь я буду говорить только о достоинствах и недостатках этих способов.

Подключение нагрузки через оптрон

Итак, один из наиболее простых способов - это подключение через оптрон (фотосемистор, фототиристор и т.п.).

Этот способ подходит для управления активной нагрузкой, такой как лампы накаливания, электронагреватели и т.п. Его преимуществами являются наличие гальванической развязки, относительная простота подключения и дешевизна оптронов. Серьёзный недостаток, пожалуй, один. Но довольно существенный - при управлении индуктивной нагрузкой, такой как электродвигатели, симистор/тиристор оптрона может самопроизвольно открыться (без команды от микроконтроллера). Так что для такого случая придётся принимать дополнительные меры, усложняющие устройство на микроконтроллере .

Подключение нагрузки через транзистор

Тоже выполняется довольно просто. Стоимость обычных транзисторов тоже относительно невелика. Это плюс.

Минусы - можно управлять только нагрузкой постоянного тока (речь идёт о дешёвых биполярных транзисторах). Причём напряжение нагрузки тоже по возможности должно быть небольшим. Потому что высоковольтные транзисторы стоят уже не очень дёшево (а некоторые и очень дорого).

Ещё один недостаток - отсутствие гальванической развязки между нагрузкой и .

И, также как в случае с оптроном - надо хотя бы немного разбираться в электронике, чтобы подобрать правильный транзистор и рассчитать схему включения самого транзистора и дополнительных резисторов.

Подключение нагрузки через электромагнитное реле

Подключить электромагнитное реле проще простого. Но это только на первый взгляд. На самом деле тоже есть особенности, которые надо знать (расскажу о них в соответствующей статье). Иначе можно просто вывести из строя выход микроконтроллера.

Преимущества электромагнитного реле:

1. Низкая цена.
2. Можно управлять нагрузкой практически любой мощности и напряжения.
3. Можно управлять нагрузкой как постоянного, так и переменного тока.
4. Можно управлять как активной, так и индуктивной нагрузкой без каких-либо дополнительных ухищрений.
5. Есть гальваническая развязка между выходом микроконтроллера и нагрузкой.
6. Не требуется особых познаний в электронике, чтобы подобрать реле под нагрузку.

Недостатки:

1. Необходимо принимать дополнительные меры для защиты выхода микроконтроллера.
2. Относительно низкое быстродействие (реле переключается существенно медленнее, чем полупроводниковые приборы - иногда это важно).
3. Большие габариты и вес. Хотя современные реле довольно миниатюрны, их размеры и вес всё-равно больше, чем размеры полупроводниковых приборов.
4. Относительно низкий ресурс. Так как в реле имеются контакты, то ресурс реле ниже, чем у полупроводников. Из-за искрения контакты быстрее выходят из строя. Хотя, как показывает практика, качественные реле могут работать десятки лет без поломок.

Подключение нагрузки через твёрдотельное реле

Твёрдотельное реле - это полупроводниковый прибор, который объединяет в себе, например, фотосимистор и всю необходимую для его управления обвязку. То есть твёрдотельное реле можно просто подключить к выходу микроконтроллера, не заботясь о том, какое сопротивление должны иметь гасящие резисторы и т.п.

Однако использовать твёрдотельные реле сложнее, чем обычные реле. Потому как у твёрдотельных реле довольно много разных характеристик, в которых надо разбираться. Впрочем, изучить эту тему несложно.

Недостаток у твёрдотельного реле, пожалуй, один - это высокая цена. Твёрдотельное реле, как правило, стоит в 5...10 раз дороже обычного электромагнитного реле (то есть это сотни и тысячи рублей за штуку).

Выводы

Какой прибор в каких случаях использовать - определяется из задачи и условий эксплуатации устройства, которое вы проектируете. Здесь всё довольно непросто - придётся вам разбираться самим (я пока не готов всё это описывать))).

Если вы немного запутались и не можете выбрать, что же использовать в вашем устройстве, то совет могу дать такой:

1. Для активной нагрузки постоянного тока низкого напряжения (до 50 В) используйте транзисторы.
2. Для любых нагрузок переменного тока и для мощных высоковольтных нагрузок постоянного тока используйте электромагнитные реле.
3. Ну а вообще думайте, что и как использовать, в зависимости от технических требований к устройству.

Если вы только начинаете разрабатывать устройства, то это вполне пригодный совет. Ну а когда наберётесь опыта, то уже сами сможете определять, какие и когда приборы использовать.