Перейти к содержанию

Драйвер реле на транзисторе

Катушку реле нельзя питать от вывода микроконтроллера: реле Omron G5Q на 5 В потребляет 80 мА, а вывод ATmega328P рассчитан максимум на 40 мА. Катушку включают через транзисторный ключ, а параллельно ей ставят диод, который гасит выброс напряжения при выключении.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Драйвер реле — транзисторный ключ, который включает катушку реле по сигналу микроконтроллера. Реле нужно, когда нагрузку надо гальванически отделить от управляющей схемы или коммутировать переменное напряжение: контакты реле не связаны с катушкой и выдерживают сетевое напряжение. Сам ключ — тот же, что в странице о ключе на транзисторе, но у катушки есть особенность: это индуктивность, и без диода ключ долго не проживёт.

Коротко

Схема

Транзисторный ключ на NPN: реле 5 В от микроконтроллера 3,3 ВВывод микроконтроллера через резистор R1 510 Ом подключён к базе транзистора VT1 2N2222A; резистор R2 10 кОм между базой и эмиттером держит транзистор закрытым, пока вывод не настроен. Эмиттер соединён с общим проводом. В цепи коллектора — катушка реле K1 на 5 В и 80 мА, подключённая к плюсу 5 В; параллельно катушке включён диод VD1 1N4148 катодом к плюсу. Контакты реле K1.1 коммутируют нагрузку.МК3,3 ВR1510 ОмR210 кОмIб = 4,9 мАVT12N2222A+5 ВK15 В, 80 мАVD11N4148Iк = 80 мАK1.1к нагрузкеобщий провод МК и реле

Катушка реле K1 включена между плюсом 5 В и коллектором транзистора VT1, эмиттер — на общем проводе. Вывод микроконтроллера через R1 подаёт ток в базу, R2 держит транзистор закрытым после сброса. Диод VD1 подключён параллельно катушке катодом к плюсу: пока транзистор открыт, диод заперт и не мешает; при выключении он подхватывает ток катушки.

Реле: что смотреть в даташите

Параметры реле Omron G5Q с одной группой переключающих контактов (SPDT) и катушкой на 5 В (Cat. No. J155-E1-16):

ПараметрG5Q-1 DC5G5Q-1 DC12
Номинальный ток катушки80 мА33,3 мА
Сопротивление катушки (±10 % при 23 °C)63 Ом360 Ом
Напряжение срабатывания, не выше75 % — 3,75 В75 % — 9 В
Напряжение отпускания, не ниже5 % — 0,25 В5 % — 0,6 В
Предельное напряжение катушки190 % при 23 °C190 % при 23 °C
Мощность катушкиоколо 400 мВтоколо 400 мВт

Контакты исполнения SPDT: нормально разомкнутый (NO) — 10 А при 125 В~, 5 А при 250 В~ и 5 А при 30 В=; нормально замкнутый (NC) — 3 А. Предельное коммутируемое напряжение — 277 В~ и 30 В=. Время срабатывания — не больше 10 мс, отпускания — не больше 5 мс; рабочая температура стандартного исполнения — от −40 до 105 °C. Исполнение с одним замыкающим контактом (SPST-NO, G5Q-1A) потребляет вдвое меньше: 40 мА и 125 Ом при 5 В.

Расчёт

  1. Ток катушки: I = U/R = 5/63 = 79,4 мА — совпадает с номинальными 80 мА из даташита. Вывод ATmega328P (предел 40 мА) и тем более STM32 (25 мА) такого тока не дадут.
  2. Транзистор. P2N2222A: 40 В и 600 мА — с большим запасом. Минимальный h21э при 150 мА и Uкэ = 1 В — 50; для 80 мА берём его же.
  3. Ток базы с запасом k = 3: Iб = 3 · 80/50 = 4,8 мА.
  4. Резистор базы от вывода 3,3 В при Uбэ = 0,8 В: (3,3 − 0,8)/4,8 мА = 521 Ом → 510 Ом. От 5 В: (5 − 0,8)/4,8 мА = 875 Ом → 820 Ом.
  5. Напряжение на катушке. На насыщенном транзисторе остаются десятые доли вольта (у P2N2222A не больше 0,3 В при 150 мА), на катушке — около 4,7 В, это больше 3,75 В срабатывания.
  6. Диод. В момент выключения через VD1 течёт ток катушки — те же 80 мА, обратное напряжение на нём — напряжение питания. У 1N4148 допустимый постоянный прямой ток 300 мА и обратное напряжение 100 В — запас большой.

Исходные данные

В

Уровень единицы на выходе МК под нагрузкой — чуть ниже его питания

В

VBE(sat) из даташита: 0,7 В при единицах мА, до 1–1,2 В при сотнях мА

мА

hFE min при токе нагрузки: BC547B — 200 (2 мА), 2N2222A — 50 (150 мА, Uкэ = 1 В)

Запас по току базы: обычно 2…5

В

VCE(sat) из даташита: 2N2222A — до 0,3 В при 150 мА

Результат

Резистор базы Rб (E24)
510 Ом
расчётное 521 Ом, взят ближайший меньший номинал
Ток базы
4,9 мАнужно не меньше 4,8 мА = k·Iк / h21э
Iк / Iб
16,3Uкэ нас в даташитах нормируют при 10–20
Мощность на транзисторе
27,9 мВтUкэ нас·Iк + Uбэ·Iб
Мощность резистора базы
12,3 мВт

Расчёт для ключа в режиме насыщения: Iб = k·Iк / h21э min, Rб = (Uупр − Uбэ) / Iб. Напряжение питания нагрузки на результат не влияет, но оно должно быть меньше Uкэо транзистора с запасом, а индуктивной нагрузке нужен защитный диод.

Детали

ПозицияДетальЗамены и примечания
K1Omron G5Q-1 DC5 (SPDT, 5 В, 80 мА)G5Q-1A DC5 (только замыкающий, 40 мА); на 12 В — G5Q-1 DC12 и питание катушки 12 В
VT1P2N2222ABC547B — только для катушек до 100 мА с запасом; ULN2003A для нескольких реле
VD11N4148любой выпрямительный диод на ток катушки и напряжение питания с запасом
R1510 Ом от 3,3 В, 820 Ом от 5 Впересчитать под ток своей катушки
R210 кОм4,7–47 кОм

Варианты

Реле на 12 В. Катушку G5Q-1 DC12 (33,3 мА) питают от 12 В, а схема ключа та же — пересчитайте только ток базы: при k = 3 нужно 2 мА, R1 ≈ 1,2 кОм от 3,3 В. Закрытый транзистор держит 12 В — меньше трети его 40 В.

ULN2003A. Для нескольких реле удобна сборка из семи составных ключей: выход до 500 мА и 50 В, входной резистор уже внутри, а защитные диоды всех выходов собраны на вывод COM — его соединяют с плюсом питания катушек (TI SLRS027O).

Быстрое отпускание. С простым диодом ток катушки затухает медленно, и реле отпускает позже. Если это важно, последовательно с диодом включают стабилитрон: выброс ограничивается напряжением стабилизации, энергия катушки рассеивается быстрее. Напряжение питания плюс напряжение стабилизации должно оставаться ниже Uкэо транзистора.

Готовые модули реле. Платы с реле для Arduino обычно уже содержат ключ, диод и светодиод. Перед подключением посмотрите по схеме модуля, каким уровнем он включается и от какого напряжения питается катушка.

Почему не работает

  • Реле не щёлкает. Напряжение катушки ниже напряжения срабатывания: реле на 5 В питают от 3,3 В, или ток базы мал и транзистор не насыщен. Измерьте напряжение прямо на выводах катушки.
  • Транзистор сгорел после первых включений. Нет диода или он стоит не там: выброс при выключении пробил транзистор.
  • Короткое замыкание при включении. Диод развёрнут анодом к плюсу: когда транзистор открыт, диод замыкает питание через транзистор.
  • Реле щёлкает при включении питания. Нет резистора R2 между базой и эмиттером.
  • Микроконтроллер перезагружается при переключении реле. Катушка и микроконтроллер питаются от одного слабого источника, бросок тока просаживает питание; помогают отдельный стабилизатор или конденсатор у катушки и разводка общего провода «звездой».
  • Контакты подгорают. Ток или напряжение нагрузки больше номинала контактов, либо нагрузка индуктивная или с большим пусковым током: номиналы в даташите даны для резистивной нагрузки.

Частые вопросы

Зачем диод параллельно катушке реле?

Катушка — индуктивность, и ток в ней не может прекратиться мгновенно. Когда транзистор закрывается, ЭДС самоиндукции поднимает напряжение на коллекторе выше питания, и без защиты выброс пробивает транзистор. Диод, включённый катодом к плюсу, замыкает ток катушки на неё саму: напряжение на коллекторе не поднимается выше питания плюс прямое падение на диоде.

Почему реле срабатывает при включении Arduino?

После сброса вывод микроконтроллера — вход с высоким сопротивлением, и база транзистора «висит», пока программа не настроила вывод как выход. Наводки приоткрывают транзистор. Резистор 10 кОм между базой и эмиттером держит ключ закрытым в это время.

Можно ли питать реле 5 В от 3,3 В?

Нет: у Omron G5Q на 5 В напряжение срабатывания — до 75 % номинального, то есть реле может не сработать ниже 3,75 В. Катушку питают от 5 В (или от 12 В, если взять реле на 12 В), а микроконтроллер на 3,3 В управляет только транзистором — напряжение катушки от него не зависит.

Можно ли управлять реле через ШИМ?

Включать и выключать реле с частотой ШИМ нельзя: у G5Q время срабатывания до 10 мс, отпускания — до 5 мс, а ресурс контактов ограничен числом переключений. Для регулирования мощности используют транзисторы или симисторы. Отдельные исполнения реле допускают снижение напряжения удержания катушки после срабатывания — это указано в их даташите, у G5Q — для моделей с суффиксом PW.

Источники

  1. Omron. G5Q PCB Power Relay (Cat. No. J155-E1-16) — параметры катушки (ток, сопротивление, напряжения срабатывания и отпускания, предельное напряжение), нагрузка контактов, времена срабатывания и отпускания, температура
  2. onsemi. P2N2222A: Amplifier Transistors, NPN Silicon (P2N2222A/D) — даташит, ред. 7: предельные режимы, h21э при 150 мА, напряжения насыщения
  3. onsemi. 1N914, 1N4148 and others: Small Signal Diode (1N914/D) — даташит, ред. 6: прямой ток и обратное напряжение
  4. Microchip. ATmega48A/PA/88A/PA/168A/PA/328/P Data Sheet (DS40002061B) — разд. 29.1: предельный ток вывода 40 мА
  5. Texas Instruments. ULN200x, ULQ200x High-Voltage, High-Current Darlington Transistor Arrays (SLRS027O) — ток и напряжение выходов, защитные диоды на выводе COM

Нашли ошибку?

Смотрите также