Сегодня мы рассмотрим довольно простую и в то же время нужную конструкцию — релейный модуль с гальванической развязкой. Эти модули обычно применяются для управления мощными нагрузками с помощью различных контроллеров (например, всяких Arduino, Freeduino и тому подобных).
Почему вообще такие модули популярны? Во-первых, выходы современных контроллеров, как правило, очень маломощные и не могут напрямую коммутировать обмотки реле. Во-вторых, блоки питания контроллерных модулей редко имеют достаточный запас по мощности, чтобы запитать ещё и десяток-другой каких-нибудь релюх. Это просто нерационально, учитывая, что заранее неизвестно сколько именно релюх конечный потребитель захочет на ноги контроллера повесить. В-третьих, развязка цепей контроллера и цепей питания реле даёт возможность использовать релюхи с напряжением, отличным от напряжения питания контроллера. Есть ещё и в-пятых, и в-шестых и так далее, но и этого, я думаю, уже достаточно, чтобы понять, насколько удобен для управления нагрузкой отдельный релейный модуль с гальванической развязкой.
Схема:
Детали:
- K1 — реле BS-115C-12A-12VDC
- T1 — транзистор BC846
- DA1 — оптрон TLP621
- D1 — диод LL4148
- R1 = 10 кОм; R2 = 1,5 кОм
В принципе, оптрон, транзистор и реле можно взять и другие, в этом случае нужно будет пересчитать номиналы резисторов. Для маломощной схемы, в которой можно не беспокоиться о перегреве и не заботиться об экономии электричества, не обязательно смотреть всякие там графики и максимально точно всё рассчитывать. Достаточно использовать вот такой упрощённый метод:
1) Находим доку на релюху, которую мы будем использовать, и узнаём из неё номинальное напряжение Ur и номинальный ток обмотки Ir этой релюхи. Номинальное напряжение — это та напруга, которую должен иметь блок питания, которым мы будем запитывать наш модуль (Ur=Vcc). Минимум такое же обратное напряжение должен выдерживать диод D1, такое же напряжение коллектор-эмиттер должен выдерживать транзистор T1 и транзистор оптрона DA1 (на самом деле во всех случаях надо брать с запасом).
2) Номинальный ток обмотки. Минимум такой ток должен выдерживать транзистор T1 и такой прямой ток должен выдерживать диод D1 (опять же брать нужно с запасом). Зачем нужен диод, думаю никому объяснять не нужно, но всё же. Дело в том, что ток через катушку не может измениться мгновенно и после размыкания транзисторного ключа T1 продолжает некоторое время течь в сторону коллектора T1. Если его оттуда не «слить», то потенциал коллектора вырастет и транзистор может «пробить». Чтобы этого не произошло как раз и стоит диод, который, при росте потенциала коллектора T1 выше потенциала линии Vcc, открывается и «сливает» лишний заряд обратно на линию Vcc.
3) Считая, что ток коллектора транзистора T1 равен номинальному току обмотки реле, находим минимальный достаточный ток базы транзистора T1 (он же — ток транзистора оптрона):
Ib=Ir/h21 (h21 смотрим в доке на транзистор).
4) Исходя из величины напряжения питания модуля и найденного значения тока базы транзистора T1, рассчитываем номинал резистора R2: R2=Ur/Ib. Округляем его до ближайшего меньшего значения из стандартного ряда. Если величина напряжения питания небольшая (3-5-7 Вольт), то необходимо учитывать также падение напряжения на транзисторе оптрона.
5) Исходя из минимального CTR оптрона и нужного тока через транзистор оптрона, находим минимальный ток через диод оптрона: If=Ib/(CTR/100)=100*Ib/CTR (CTR обычно указывается в %, поэтому его и нужно разделить на 100).
6) Ну и, наконец, находим сопротивление резистора R1: R1=(Ui-Uf)/If (Ui — это напряжение, соответствующее высокому уровню управляющего сигнала, Uf — падение напряжения на диоде оптрона).
Для примера приведу свой вариант расчёта:
Нашёл я значит где-то в закромах 12 Вольтовую релюху BS-115C. Качнул на неё доку и узнал, что ток обмотки для неё равен 30 мА. Соответственно, мне оказались нужны транзистор, диод и оптрон, которые выдерживают 12 В напруги и 30 мА тока, то есть практически любые маломощные компоненты.
Глянул, каких у меня много мелких npn-транзисторов. Оказалось, что полно bc846. По доке Uce=65 Вольт, Ic=100 мА, то есть хватает с большим запасом. Его и взял. Диод взял LL4148 (300 мА, 70В обратки), а оптрон TPL621 (выходной транзистор на 300 мА, Vce=55 В, ток диода до 50 мА, прямое падение на диоде 1,15 В).
Из доки на транзистор h21=100, соответственно, минимальный ток базы, который меня устроит, будет 30/100=0,3 мА. Тогда резистор R2 мне нужен 12/0,3 = 40 кОм. Я взял 10 кОм, чтоб с запасом. Ток при этом получился Ib=12/10 = 1,2 мА (всё равно такой мизерный ток ничего не нагреет).
Из доки на оптрон следует, что его минимальный CTR=50%. Соответственно, минимальный ток диода оптрона должен быть равен: If=100*1,2/50=2,4 мА.
Теперь можно посчитать резистор в цепи управления: R1=(5-1,15)/2,4=1,6 кОм. Я взял 1,5 кОм. Вот и весь расчёт.
Готовое изделие:
В эту плату добавлены 2 светодиода (один — в цепь питания, другой — в цепь управления) и конденсатор по питанию.
Если напряжение питания релейного модуля совпадает с уровнями управления и плата управления способна обеспечить требуемый для питания релейного модуля ток, то можно не использовать отдельный блок питания, а запитать релейный модуль прямо от платы управления.
Например, если бы мы использовали в релейном модуле реле на 5 В (BS-115C-12A-5VDC, с номинальным током через обмотку 72 мА), а управляли этим модулем от UART-to-I2C/SPI/1W шлюза, который, в свою очередь, управлялся бы от компьютера через преобразователь USB-to-UART, то наш релейный модуль можно было бы прямо от шлюза и запитать (тока USB порта вполне хватает, чтобы запитать и шлюз, и один такой модуль). Фактически, мы получили бы аналог USB-реле.