آموزش راه اندازی رله با آردوینو

آیابه این فکر افتاده‌اید که وسایلی مانند لامپ، فن یا وسایل خانگی خود را که با ولتاژ AC کار می‌کنند، از طریق یک میکروکنترلر کنترل کنید؟ از آنجایی که این وسایل با ولتاژ بالایی کار می‌کنند، کنترل آن ها توسط  یک میکروکنترلر که پایه‌های آن تنها تحمل 5 ولت را دارند، امکان‌پذیر نیست. اما راه حل چیست؟ شما باید از یک رله 5 ولت استفاده کنید. از این طریق به راحتی می‌توانید وسایل ولتاژ بالا را کنترل کنید و با آردوینو UNO نیز کنترل رله را به دست بگیرید. اما برای اتصال یک رله به میکروکنترلر به یک مدار راه انداز نیاز است. مدارهای مختلفی با المان‌های متفاوت وجود دارند. در این آموزش قصد داریم شما را با نحوه عملکرد یک رله و ساده‌ترین مدار و روش راه اندازی رله با آردوینو آشنا کنیم.

هشدار
بذارید قبل از شروع بحث بهتون یادآوری کنیم که در این پروژه با برق شهری 220 ولت AC کار می‌کنیم و احتمال برق گرفتگی وجود داره. پس لطفا از دستکش عایق و سایر تجهیزات ایمنی مناسب استفاده کنید و اگر مهارت و تجربه کافی ندارید از یک برق‌کار کمک بگیرید. دانش آموزان عزیز لطفاً این پروژه رو بدون کمک یک برق‌کار باتجربه انجام ندید.

گام اول: رله‌ها چگونه كار می‌‌كنند؟

برای راه اندازی رله با آردوینو ابتدا باید شناخت کافی از عملکرد رله‌ها داشته باشیم. رله يك كليد الكترومغناطيسي است كه با يك جريان الكتريكي نسبتاً كوچك كار می‌كند و از آن می‌توان براي كنترل جريان‌هاي الكتريكي بسيار بزرگ‌تر استفاده نمود.

با توجه به اصول عملکرد و ویژگی‌های ساختاری رله‌ها، انواع مختلفی از آن‌ها وجود دارد، از جمله رله‌های الکترومغناطیسی، رله‌­های حالت جامد، رله‌های حرارتی، رله‌های قدرت، رله‌های رید، رله‌های هایبرید، رله‌های چند بعدی و سایر رله‌های دیگر با دسته‌­بندی‌­ها، ابعاد و کاربردهای متنوع. با این حال، ما در این آموزش فقط در مورد رله‌­های الکترومغناطیسی بحث خواهیم کرد.

گام دوم: به مقادیر درج شده بر روی رله نگاه کنید

در اینجا ما از یک رله‌ی5 ولت SRD-05VDC-SL-C استفاده می‌کنیم. رله‌ها معمولا 5 پایه دارند. 3 پایه از این 5 پایه، ترمینال‌هایی با ولتاژ بالا هستند (COM, NO, NC). این پایه‌ها به دستگاه یا تجهیزاتی که قرار است شما آن را کنترل کنید، وصل می‌شوند و 2 پایه دیگر مربوط به سیم‌پیچ‌ها هستند.

هنگامی که جریان از سیم‌پیچ رله عبور می‌کند، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود که منجر به حرکت کنتاکت‌های داخلی رله می‌شود و اتصال الکتریکی را قطع یا وصل می‌کند. در واقع، ترمینال NO(Normally Open)  به ترمینال مشترک  COM متصل می‌شود و ترمینال NC(Normally Closed) از COM جدا می‌شود.

اما زمانی‌که جریان سیم‌پیچ قطع شود، کنتاکت‌های داخلی به وضعیت نرمال خود برمی‌گردند یا به‌عبارتی ترمینال NC به ترمینال مشترک COM می‌چسبد و ترمینال NO جدا می‌شود.

وقتی به این رله نگاه می‌کنیم، اولین چیزی که می‌بینیم SONGLE، نام سازنده آن است. همچنین “ماکزیمم جریان و ولتاژ” رله روی آن درج شده است، یعنی حداکثر جریان یا ولتاژی که می‌توان از رله عبور داد. در اینجا از 10 آمپر در 250 ولت AC شروع می‌شود و تا 10 آمپر در 250 ولت DC کاهش می‌یابد.

در نهایت، SRD-05VDC-SL-C آنچه که در قسمت پایینی رله می‌بینیم از چند جزء نشکیل شده: SRD بیانگر مدل رله است. 05VDC به عنوان “ولتاژ نامی سیم‌پیچ” یا “ولتاژ فعال‌ساز رله” شناخته می‌شود، در واقع مقدار ولتاژ لازم برای سیم‌پیچ به منظور فعال کردن رله است. S بیانگر ساختار “Sealed Type” است. L بیانگر حساسیت سیم‌پیچ است که 0.36 وات می‌باشد و C که در مورد شکل کنتاکت می‌باشد. برای اطلاعات بیشتر می‌توانید به دیتاشیت رله مراجعه کنید.

گام سوم: پایه‌های رله خود را چگونه تشخیص دهیم؟

آیا می‌دانید چطور پایه‌های رله خود را تشخیص دهید؟ شما می‌توانید این کار را با اتصال یک مولتی‌متر که آن را در حالت اندازه‌گیری مقاومت با مقدار 1000 اهم (با توجه به اینکه مقاومت سیم‌پیچ معمولاً بین 50 تا 1000 اهم است) تنظیم کرده‌اید یا با استفاده از یک باتری انجام دهید. از آنجایی که این رله فاقد دیود TVS است، بر روی آن علامت پلاریته درج نشده است. از این رو، خروجی مثبت تغذیه DC را می‌توان به هر یک از پایه‌های سیم‌پیچ متصل کرد و خروجی منفی تغذیه DC به پایه دیگر سیم‌پیچ وصل می‌شود یا بالعکس. چنانچه باتری به درستی متصل شود، می‌توان صدایی مانند *کلیک* را هنگام وصل شدن کنتاکت های رله شنید.

چنانچه در تشخیص اینکه کدام پایه رله NO و کدام یک پایه NC است گیج می‌شوید، مراحل زیر را دنبال کنید:

• مولتی‌متر را روی حالت اندازه‌گیری مقاومت تنظیم کنید.
• رله را بچرخانید تا پایه‌های آن که در قسمت زیرین رله قرار دارند را مشاهده کنید.
• اکنون یکی از پروب‌های مولتی‌متر را به پایه مشترک (پایه ​​بین سیم‌پیچ‌ها) وصل کنید.
• سپس پروب دیگر را یکی یکی به 2 پایه باقی مانده وصل کنید.

فقط یکی از پایه‌ها مدار را کامل می‌کند و با مولتی‌متر قابل تشخیص خواهد بود.

گام چهارم: آردوینو و رله

چرا باید همراه آردوینو از یک رله استفاده کرد؟

پایه‌های GPIO یک میکروکنترلر نمی‌توانند المان‌های با توان بالا را کنترل کنند. کنترل یک LED امکان‌پذیر است، اما وسایل برقی بزرگ مانند لامپ‌ها، موتورها، پمپ‌ها یا فن‌ها به مدارهای پیچیده‌تری نیاز دارند. شما می‌توانید از یک رله به عنوان پلی میان میکروکنترلر و وسایل برقی خود استفاده کنید و با آردوینو رله را کنترل کنید.

یک رله اساساً این امکان را فراهم می‌کند تا بتوان با یک ولتاژ نسبتاً کم، مدارهای توان بالا را به راحتی کنترل کرد. یک رله این کار را با استفاده از 5 ولت خروجی از یک پایه آردوینو انجام می‌دهد تا یک میدان مغناطیسی ایجاد و با حرکت کنتاکت‌های داخلی رله، یک مدار توان بالا قطع یا وصل شود. کنتاکت‌های یک رله کاملاً از یکدیگر و درنتیجه از آردوینو ایزوله هستند.  پیوند ننها از طریق میدان مغناطیسی صورت می‌گیرد و به این فرآیند «ایزولاسیون الکتریکی» گفته می‌شود.

اکنون این سوال پیش می آید که چرا برای راه اندازی رله با آردوینو به یک مدار اضافی نیاز داریم؟ سیم‌پیچ رله به جریان زیادی حدود 150 میلی‌آمپر برای راه اندازی رله نیاز دارد، که یک آردوینو نمی‌تواند آن را تأمین کند. بنابراین به المانی برای تقویت جریان نیاز داریم.  یکی از قطعات پرکاربرد در این گونه مدارها، ترانزیستورها هستتند. در اینجا از ترانزیستور 2N2222 NPN  استفاده می‌کنیم. مداری که در گام ششم مشاهده می‌کنید، ساده‌ترین مداری است که از آن می‌توان برای اتصال یک رله به یک میکروکنترلر استفاده کرد.

گام پنجم: سخت‌افزار مورد نیاز برای راه اندازی رله

در این آموزش به قطعات زیر نیاز داریم:

یک بردبورد، یک آردوینو NANO/UNO، یک رله، یک مقاومت یک کیلواهم، یک دیود 1N4007 ولتاژ بالا، دیود با جریان بالا برای محافظت از میکروکنترلر در برابر افزایش ولتاژ، یک ترانزیستور NPN 2N2222 ،یک ال‌ای‌دی، یک مقاومت 220 اهم برای محدود کردن جریان، چند رشته سیم، یک کابل USB برای بارگذاری کد آردوینو و لوازم لحیم‌کاری.

گام ششم: بستن مدار راه انداز رله

1. با اتصال پایه‌های تغذیه VIN و GND آردوینو به خطوط ve+ و ve- بردبورد شروع می‌کنیم.
2. سپس یکی از پایه‌های سیم‌پیچ رله را به 5 ولت (ve+) متصل کنید.
3. در قدم بعدی یک دیود موازی با سیم‌پیچ  قرار دهید. به سبب این امر هنگامی که ترانزیستور خاموش می‌شود، جریان تحریک سیم پیچ رله قطع و میدان مغناطیسی کم می‌شود. این امر باعث ایجاد یک ولتاژ معکوس می‌شود.  در این حالت دیود به صورت بایاس معکوس عمل می‌کند و از مدار در برابر افزایش ولتاژ محافظت کند.
4. سپس کلکتور ترانزیستور NPN را مطابق تصویر به سیم‌پیچ رله وصل کنید.
5. امیتر ترانزیستور را نیز به 0 ولت (ve-) متصل کنید.
6. در نهایت، کافی است با استفاده از یک مقاومت یک کیلواهم، پایه بیس ترانزیستور را به پایه D2 از آردوینو متصل کنید.
7. اکنون مدار کامل شده و می‌توان کد را بر روی آردوینو بارگذاری کرد تا رله را روشن یا خاموش کند. اساساً وقتی 5+ ولت از طریق مقاومت یک کیلواهم به پایه بیس ترانزیستور می‌رسد، جریانی در حدود 0.0005 آمپر (500 میکروآمپر) جریان می‌یابد و ترانزیستور را روشن می‌کند. سپس جریانی در حدود 0.07 آمپر از طریق اتصالی که آهن‌ربای الکتریکی رله را روشن می‌کند شروع به جریان می‌کند. سپس این آهن‌ربای الکتریکی باعث حرکت کنتاکت‌ها شده و ترمینال COM را به ترمینال NO متصل می‌کند.
8. هنگامی که ترمینال NO متصل می‌شود، می‌توان لامپ یا هر بار دیگری را روشن کرد. در این مثال یک ال‌ای‌دی را روشن و خاموش می‌کنیم.

گام هفتم: کد آردوینو راه انداز رله

با یک برنامه‌ی بسیار ساده می‌توانید یک رله را با آردوینو کنترل کنید. برنامه با تعریف پایه دیجیتال شماره 2 آردوینو به عنوان پایه رله شروع می‌شود.

int Relay  = 2;                 // Digital pin D5

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(Relay, OUTPUT);       // declare Relay as output
}

void loop() {
  digitalWrite (Relay, HIGH);
  delay(500);
  digitalWrite (Relay, LOW);
  delay(500);
}

سپس در تابع setup، این پایه به عنوان خروجی تعریف می‌شود. در تابع loop قصد داریم پس از هر 500 سیکل CPU با تنظیم پایه Relay به ترتیب بر روی HIGH و LOW، رله را روشن و خاموش کنیم.

گام هشتم : نتیجه‌گیری

* به خاطر داشته باشید که دیود به صورت موازی با سیم‌پیچ رله قرار گیرد، در واقع هنگامی که ترانزیستور خاموش می‌شود، جریان تحریک سیم‌پیچ رله قطع و میدان مغناطیسی ایجاد شده، کم می‌شود. کاهش میدان مغناطیسی منجر به ایجاد جریان در سیم‌پیچ رله می‌شود. به این ترتیب یک ولتاژ القایی معکوس ایجاد می‌شود که می‌تواند به قطعات حساس مدار آسیب برساند. به همین خاطر از یک دیود به صورت بایاس معکوس که موازی با سیم‌پیچ قرار می‌گیرد، استفاده می‌شود.

* نکته مهم دیگر این است که مانند خازن‌ها، ما همیشه ولتاژ رله را کمتر تخمین می‌زنیم تا احتمال خرابی آن کاهش یابد. فرض کنید رله‌ای باید جریان 10 آمپر به ازای ولتاژ 120 ولت AC کار کند، ولی شما از رله‌ای با این مشخصات استفاده نکنید، بلکه به جای آن از رله بزرگ‌تری مانند جریان 30 آمپر به ازای ولتاژ 120 ولت AC استفاده کنید. به یاد داشته باشید، توان حاصل ضرب جریان در ولتاژ است؛ بنابراین رله‌ای با جریان 30 آمپر به ازای ولتاژ 120 ولت AC می‌تواند یک دستگاه 6000 وات را تحمل کند.

* چنانچه ال‌ای‌دی را با هر وسیله الکتریکی دیگری مانند فن، لامپ، یخچال و… جایگزین کنید، قادر خواهید بود آن را به یک دستگاه هوشمندی که با آردوینو کنترل می‌شود، تبدیل کنید.

* یک رله به ایزولاسیون الکتریکی کمک می‌کند. کنتاکت‌های یک رله کاملاً از سیم‌پیچ و در نتیجه از آردوینو جدا شده‌اند. پیوند میان آن‌ها تنها توسط میدان مغناطیسی برقرار می‌شود.

توجه: اتصال کوتاه بر روی پایه‌های آردوینو یا راه اندازی دستگاه‌های با جریان بالا توسط آردوینو، می‌تواند به ترانزیستورهای خروجی که به آردوینو متصل آسیب برساند یا آن را از بین ببرد یا حتی به تراشه ATMega آسیب برساند. این امر اغلب منجر به یک پایه “مرده” در میکروکنترلر می‌شود، اما تراشه باقی‌مانده همچنان کار می‌کند. به همین دلیل، بهتر است پایه‌​​های خروجی را با مقاومت‌های 470 اهم یا 1 کیلواهم به دستگاه‌های دیگر متصل کنید، مگر اینکه برای کاربرد خاصی نیاز به حداکثر جریان خروجی از پایه‌ها باشد.

امیدواریم از این آموزش لذت برده‌باشید، پروژه راه اندازی رله با آردویو را می‌توانید در پروژه‌های اینترنت اشیا خود که در آن نیاز به کنترل لوازم الکتریکی ولتاژ بالا است استفاده کنید.

سوالات و نظرات خود را برای ما در بخش دیدگاه بنویسید.