Jak připojit zátěž k řídicí jednotce na mikroobvodech

Článek o různých způsobech připojení zátěže k řídicí jednotce mikrokontroléru pomocí relé a tyristorů.

Veškeré moderní vybavení, průmyslové i domácí, je napájeno elektřinou. Současně lze celý jeho elektrický obvod rozdělit na dvě velké části: ovládací zařízení (ovladače od anglického slova CONTROL - k ovládání) a akční členy.

Asi před dvaceti lety byly řídicí jednotky implementovány na mikroobvodech malého a středního stupně integrace. Jednalo se o řadu čipů K155, K561, K133, K176 a podobně. Říká se jim logické digitální obvody, protože provádějí logické operace se signály a samotné signály jsou digitální (diskrétní).

Stejně jako běžné kontakty: „uzavřeno - otevřeno“. Pouze v tomto případě se tyto stavy nazývají „logická jednotka“ a „logická nula“. Napětí logické jednotky na výstupu mikroobvodu je v rozsahu od poloviny napájecího napětí do jeho plné hodnoty a napětí logické nuly pro takové mikroobvody je obvykle 0 ... 0,4 V.

Provozní algoritmus takových řídicích jednotek byl proveden kvůli odpovídajícímu připojení mikroobvodů a jejich počet byl poměrně velký.

V současné době jsou všechny řídicí jednotky vyvíjeny na základě mikrokontroléry různých typů. V tomto případě není operační algoritmus stanoven nikoliv obvodovým spojením jednotlivých prvků, ale programem „sešitým“ v mikrokontroléru.

V tomto ohledu obsahuje řídicí jednotka místo několika desítek nebo dokonce stovek mikroobvodů mikrokontrolér a řadu mikroobvodů pro interakci s „vnějším světem“. I přes takové zlepšení jsou však signály řídicí jednotky mikrokontroléru stále stejné digitální jako signály starých mikroobvodů.

Je jasné, že výkon takových signálů nestačí k zapnutí výkonné lampy, motoru a pouze relé. V tomto článku se budeme zabývat jakým způsobem lze k mikroobvodům připojit výkonné zátěže.

Nejvíce jednoduchým způsobem je zapnutí zátěže pomocí relé. Na obr. 1 je relé sepnuto pomocí tranzistoru VT1, pro tento účel je logická jednotka dodávána do své základny přes rezistor R1 z mikroobvodu, tranzistor se otevírá a zapíná relé, které se svými kontakty (neznázorněno) zapíná zátěž.

Kaskáda znázorněná na obrázku 2 funguje odlišně: pro zapnutí relé se musí na výstupu mikroobvodu objevit logická 0, která uzavře tranzistor VT3. V tomto případě se tranzistor VT4 otevře a zapne relé. Pomocí tlačítka SB3 můžete relé zapnout ručně.

Na obou obrázcích je vidět, že paralelně s vinutím relé jsou připojeny diody a vzhledem k napájecímu napětí v opačném (nevodivém) směru. Jejich účelem je potlačit samočinně indukční EMF (může být desetkrát nebo vícekrát napájecí napětí) při vypnutí relé a chránit obvodové prvky.

Pokud v obvodu není jedno, dvě relé, ale mnohem více, pak je zapojit specializovaný čip ULN2003Aumožňuje připojení až sedmi relé. Takový spínací obvod je znázorněn na obrázku 3 a na obrázku 4 vzhled moderního relé malé velikosti.

Obrázek 5 ukazuje načíst schéma zapojení pomocí tyristorů optočlenu TO125-12.5-6 (místo toho můžete beze změny v obvodu připojit relé). V tomto diagramu byste měli věnovat pozornost tranzistorovému spínači vytvořenému na dvou tranzistorech VT3, VT4. Tato komplikace je způsobena skutečností, že některé mikrokontroléry, například AT89C51, AT89C2051, se během resetu zapnou na několik milisekund a na všech pinech drží logickou úroveň 1.Pokud je zátěž připojena podle schématu znázorněného na obrázku 1, zátěž bude spuštěna okamžitě po zapnutí napájení, což může být velmi nežádoucí.

Za účelem zapnutí zátěže (v tomto případě LED diod optočlenových tyristorů V1, V2) by měla být logická 0 přivedena do základny tranzistoru VT3 přes odpor R12, který otevře VT3 a VT4. Ten rozsvítí optothyristorové LED diody, které se otevřou a zapnou zatížení sítě. Optočlenové tyristory poskytují galvanické oddělení od sítě samotného řídicího obvodu, což zvyšuje elektrickou bezpečnost a spolehlivost obvodu.

Pár slov o tyristorech. Aniž bychom šli do technických detailů a charakteristik proudového napětí, můžeme to říct tyristor - Toto je jednoduchá dioda, mají dokonce podobné označení. Ale tyristor má také kontrolní elektrodu. Je-li na něj aplikován kladný impuls s ohledem na katodu, i krátkodobý, pak se tyristor otevře.

V otevřeném stavu tyristor zůstane, dokud ním protéká proud ve směru vpřed. Tento proud musí být alespoň nějaká hodnota nazývaná zádržným proudem. Jinak se tyristor jednoduše nezapne. Tyristor můžete vypnout pouze přerušením obvodu nebo napětím s obrácenou polaritou. Proto, aby se vynechaly obě půlvlny střídavého napětí, používá se proti paralelnímu propojení dvou tyristorů (viz obr. 5).

Aby nedošlo k takovému zařazení, jsou vydávány triakové nebo v buržoazních triacích. V nich již v jednom případě vznikají dva tyristory, které jsou zapojeny naproti - paralelně. Kontrolní elektroda je běžná.

Obrázek 6 ukazuje vzhled a pinout tyristorů a obrázek 7 ukazuje totéž pro triaky.

Obrázek 8 ukazuje schéma připojení triaku k mikrokontroléru (výstup mikroobvodu) pomocí speciálního optického článku MOC3041 s nízkým výkonem.

Tento ovladač uvnitř obsahuje LED připojenou na piny 1 a 2 (obrázek ukazuje pohled na mikroobvod shora) a samotný optotriak, který, když je osvětlen LED, se otevře (piny 6 a 4) a přes odpor R1 spojuje řídicí elektrodu s anodou , díky kterému se otevře silný triak.

Rezistor R2 je navržen tak, aby se triak neotevřel v nepřítomnosti řídicího signálu v době zapnutí a řetězec C1, R3 je navržen tak, aby potlačoval rušení v době přepínání. Je pravda, že MOC3041 nevytváří žádné zvláštní rušení, protože má obvod CROSS ZERO (přechod napětí přes 0) a zapnutí nastane v okamžiku, kdy síťové napětí prošlo pouze 0.

Všechny uvažované obvody jsou galvanicky odděleny od sítě, což zajišťuje spolehlivý provoz a elektrická bezpečnost se značným spínaným výkonem.

Pokud je výkon zanedbatelný a není nutné galvanické oddělení regulátoru od sítě, je možné připojit tyristory přímo k mikrokontroléru. Podobné schéma je znázorněno na obrázku 9.

Toto je obvod Vánoční věnec vyrobenSamozřejmě v Číně. Tyristorové řídicí elektrody MCR 100-6 až odpory připojen přímo k mikrokontroléru (umístěn na desce pod kapkou černé sloučeniny). Výkon řídicích signálů je tak malý, že aktuální spotřeba všech čtyř současně, méně než 1 miliampéra. V tomto případě je zpětné napětí až 800V a proud až 0,8A. Celkové rozměry jsou stejné jako u tranzistorů KT209.

Samozřejmě v jednom krátkém článku není možné popsat všechny systémy najednou, ale zdá se, že se jim podařilo říct základní principy jejich práce. Nejsou zde žádné zvláštní obtíže, všechna schémata jsou testována v praxi a zpravidla nepřinášejí zármutek při opravách nebo při vlastní výrobě.

E-kniha -Průvodce pro mikrokontroléry AVR pro začátečníky

Boris Aladyshkin