Драйвер реле на транзисторе

Схема

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):

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

Расчёт — для Arduino Uno (ATmega328P, 5 В), питания катушки 5 В ±5 % и комнатной температуры.

1. Ток катушки: I = U/R = 5/63 = 79,4 мА — совпадает с номинальными 80 мА из даташита. С допусками питания (±5 %) и сопротивления (±10 %) — до 5,25 В/56,7 Ом = 92,6 мА: на этот ток и считают ключ. 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. Напряжение насыщения в его даташите гарантировано при I_к/I_б = 10: не больше 0,3 В при 150 мА, U_{бэ нас} — от 0,6 до 1,2 В.
3. Ток базы по этому отношению плюс ток резистора R2: I_б = 92,6 мА/10 + 1,2 В/10 кОм = 9,26 + 0,12 = 9,38 мА.
4. Резистор базы. ATmega328P гарантирует уровень единицы не ниже 4,2 В при токе до 20 мА: (4,2 − 1,2) В/9,38 мА = 320 Ом → 300 Ом. Ток вывода — от 10 до (5 − 0,6) В/300 Ом = 14,7 мА, в пределах 20 мА.
5. Напряжение на катушке: не меньше 4,75 − 0,3 = 4,45 В — больше 3,75 В срабатывания.
6. Диод. В момент выключения через VD1 течёт ток катушки — до 92,6 мА, а пока транзистор открыт, к диоду приложено напряжение питания. У 1N4148 прямой ток до 300 мА и постоянное обратное напряжение 75 В — запас большой.

От 3,3 В и на морозе. От ESP32 с силой выхода по умолчанию (~20 мА) уровень единицы не ниже 2,64 В, и R1 = 150 Ом даёт ток вывода до 18 мА. У STM32F103 уровень 2,9 В гарантирован только до 8 мА: с P2N2222A этого мало, а с BC547, у которого U_{кэ нас} нормировано при I_к/I_б = 20, хватает — R1 = 430 Ом, ток вывода до 6,4 мА. Если устройство работает при −40 °C, холодная катушка потребляет до 124 мА, и от Arduino нужен R1 = 240 Ом (ток вывода до 18,3 мА).

Первый калькулятор ниже считает резистор базы по минимальному h21э и коэффициенту насыщения: это быстрая прикидка, но напряжение насыщения даташит гарантирует только при I_к/I_б = 10. Второй считает драйвер целиком по условиям даташитов — с допусками, температурой, проверкой срабатывания реле и защитного диода; чтобы повторить расчёт выше, выберите в нём реле Omron G5Q-1, 5 В. Он же открыт на странице калькулятора драйвера реле.

const uint8_t RELAY_PIN = 7;

void setup() {
  digitalWrite(RELAY_PIN, LOW);  // keep the relay off while the pin becomes an output
  pinMode(RELAY_PIN, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(RELAY_PIN, HIGH);  // coil on
  delay(1000);
  digitalWrite(RELAY_PIN, LOW);   // coil off, the diode takes the coil current
  delay(1000);
}

Детали

Варианты

Реле на 12 В. Катушку G5Q-1 DC12 (33,3 мА, с допусками — до 38,9 мА) питают от 12 В, а схема ключа та же — пересчитайте только ток базы: по условиям насыщения P2N2222A нужно 4,0 мА, R1 = 680 Ом от Arduino и 390 Ом от STM32F103. 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 с напряжением, примерно равным напряжению питания (так советует Panasonic): выброс ограничивается напряжением стабилизации, энергия катушки рассеивается быстрее. Напряжение питания плюс напряжение стабилизации должно оставаться ниже U_кэо транзистора, а стабилитрон — выдерживать импульс: в начале он рассеивает U_ст · I, для 5,1 В и 92,6 мА — около 0,47 Вт.

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.