اتصال رله به میکروکنترلر

اتصال رله به میکروکنترلر و آی سی های دیجیتال دیگر، یکی از مباحث مهم دنیای دیجیتال و صنعت است. راه اندازی رله اغلب نیازمند تأمین جریان و ولتاژ بیشتر از حد پایۀ میکروکنترلرها و المان های دیجیتال است. بنابراین باید یک مدار راه انداز رله در بین المان های دیجیتال و رله قرار گیرد. این مدار ممکن است از تعدادی قطعۀ ساده مانند ترانزیستور و مقاومت و دیود تشکیل شده باشد. و یا ممکن است مدار پیچیده تری داشته و یا در آن از آی سی های درایور استفاده شده باشد. در کنترل رله با میکروکنترلر باید به ایزوله کردن، حذف ولتاژ فلای بک سیم پیچ، حذف جرقۀ کنتاکت ها و … توجه داشت.

منظور ما از رله در این نوشته تنها رله الکترومکانیکی نیست. در نوشتۀ رله، انواع الکترومکانیکی، حالت جامد، هیبریدی، رله های صنعت برق و برق صنعتی و … بررسی شده اند. از میان آنها، رله های الکترومکانیکی، حالت جامد، هیبریدی و برخی دیگر را می توان به میکروکنترلرها متصل کرد. رلۀ الکترومکانیکی نسبت به انواع دیگر در اتصال به میکروکنترلرها، نیازمند ملاحظات بیشتری است. در این رله ها خاصیت سلفی سیم پیچ و جرقۀ کنتاکت ها اهمیت دارد. در تصویر زیر یک رلۀ الکترومکانیکی را در دو وضعیت باز و بسته مشاهده می کنید. اتصال رله به میکروکنترلر نیازمند مدارهای واسطی است که در این نوشته به آنها می پردازیم.

ویدئوی 1 – اتصال رله به میکروکنترلر

نکته: مدارهایی که در این نوشته مورد بحث قرار می دهیم، تنها برای اتصال رله به «میکروکنترلر» نیست. می توانیم آنها را برای اتصال رله به آردوینو، بردهای رزبری پای و انواع آی سی های دیجیتال دیگر به کار ببریم. (فیلم آموزش آردوینو مقدماتی)

تصویر 1 – وضعیت باز (سمت چپ) و بسته (سمت راست) در یک رله

به طور کلی رله دو بخش دارد: بخش تحریک و بخش سوییچ. بخش سوییچ متأثر از بخش تحریک است. به طوری که عامل تحریک به عنوان ورودی رله، بخش تحریک را تحت تأثیر قرار می دهد. در این صورت رله عمل می کند. عمل کردن رله در واقع تغییر وضعیت کنتاکت ها یا المان حالت جامد در بخش سوییچ است. هر کدام از بخش های تحریک و سوییچ نیازمند مداراتی هستند. این مدارات مجموعاً عملکرد صحیح و مطمئن رله، حفاظت از المان تحریک کننده، تأمین جریان راه اندازی، ایزوله کردن تغذیۀ رله از تغذیۀ میکروکنترلر، حذف جرقۀ کنتاکت ها و … را فراهم می آورند. در ادامه این مدارات را برای رله های الکترومکانیکی و حالت جامد بررسی خواهیم کرد. همچنین نکاتی را برای اتصال انواع دیگر رله به میکروکنترلر بیان می کنیم. این مدارات به طور کلی عبارتند از:

• مدار حذف جرقۀ کنتاکت ها
• مدار تأمین جریان یا درایور
• مدار حفاظت در برابر ولتاژ فلای بک
• مدار ایزوله کننده
• مدار نمایشگر.

تصویر 2 –  اتصال رله به میکروکنترلر و مدارات مورد نیاز آن

آیا می توان رله را مستقیماً به میکروکنترلر متصل کرد؟

فرض کنیم می خواهیم یک رلۀ 5 ولت را با یک میکروکنترلر AVR، راه اندازی کنیم. در اینجا چند مسئله به وجود می آید که جریان راه اندازی رله یکی از آنهاست. جریانی که از پایۀ پورت IO در AVR کشیده می شود، باید بتواند رله را راه اندازی کند. در دیتاشیت ATmega64A می بینیم که مقدار جریان خروجی هر پایه حداکثر 40 میلی آمپر است. اگر هم رله با این جریان راه اندازی شود، کار صحیح، استفاده از مدارات تأمین جریان است. زیرا باید تا حد امکان جریان کمتری از پایه های میکروکنترلر کشیده شود. همچنین با افزایش تعداد رله ها، هنگامی که آنها همگی با هم راه اندازی شوند، جریان پایه های تغذیۀ میکروکنترلر، زیاد می شود. این جریان باید کمتر مقدار ذکر شده در دیتاشیت باشد. حداکثر جریان پایه های تغذیۀ ATmega64 می تواند 200 تا 400 میلی آمپر باشد.

مسئلۀ دوم، ولتاژ القایی معکوس یا ولتاژ فلای بک سیم پیچ رله است. در رلۀ الکترومکانیکی، هنگامی که ولتاژ به سیم پیچ متصل است، جریانی از آن عبور می کند. پس از قطع ولتاژ تحریک، جریان همچنان وجود دارد. بنابراین سیم پیچ شبیه یک منبع ولتاژ عمل می کند و تا لحظاتی جریانی را به وجود می آورد. این جریان می تواند به پایۀ IO میکروکنترلر وارد شود و به آن آسیب برساند. مسئلۀ سوم نویز حاصل از جرقۀ کنتاکت ها در بخش سوییچ است. این جرقه می تواند باعث اخلال در عملکرد سیستم شود.

برای اتصال رله به میکروکنترلر باید به جریان کشی سیم پیچ رله، ولتاژ القایی معکوس آن، نویز حاصل از جرقۀ کنتاکت ها، ایزوله کردن تغذیۀ رله و مدارات راه انداز آن از تغذیۀ میکروکنترلر و همچنین مکان و شیوۀ قرارگیری رله روی PCB توجه داشت.

تصویر 3 – اتصال رله به میکروکنترلر به طور مستقیم

الزامات اتصال رله به میکروکنترلر

با توجه به مشخصات الکتریکی رله، برای تأمین جریان راه اندازی آن نیاز به یک مدار راه انداز است. این مدار که درایور رله نیز نامیده می شود، می تواند از تعدادی مقاومت و ترانزیستور ساخته شود. همچنین می توان از آی سی های درایور برای راه اندازی رله استفاده کرد. هدف استفاده از این مدارات و آی سی ها، تأمین جریان تحریک رله از منبع تغذیه است. برای حفاظت مدار تحریک در برابر ولتاژ القایی معکوس سیم پیچ رله نیز مداراتی وجود دارد. ساده ترین شکل این مدار، یک دیود هرزگرد است که با سیم پیچ رله موازی می شود. برای ایزوله کردن تغذیه و زمین میکروکنترلر از تغذیه و زمین مدار تحریک رله، می توان از اپتوکوپلر استفاده کرد.

مدار تأمین جریان، ایزوله کننده و مدار حفاظت در برابر ولتاژ القایی معکوس، هر سه در بخش تحریک رله قرار دارند. در این بخش می توان مداری شامل یک LED و مقاومت برای نمایش وضعیت تحریک یا عدم تحریک قرار داد. برای حذف جرقۀ کنتاکت ها نیز باید مداری در بخش سوییچ قرار گیرد. در ادامه روش ها و نمونه هایی از مدارات مذکور و همچنین جای قرارگیری آنها را خواهیم دید.

تصویر 4 – الزامات اتصال رله به میکروکنترلر

روش های حذف جرقه کنتاکت های رله

شاید این موضوع به عبارت «اتصال رله به میکروکنترلر» نامربوط به نظر بیاید. اما در ادامه خواهیم دید که حذف جرقه رله چه تأثیری بر عملکرد سیستم های میکروکنترلری دارد. در رله ها هنگامی که دو کنتاکت در فاصلۀ کمی از یکدیگر قرار می گیرند، به علت وجود اختلاف پتانسیل، جرقه (Spark) هایی پدید می آید. این جرقه ها باعث یونیزه شدن هوای اطراف کنتاکت ها می شود. این هوای یونیزه شده مسیری برای حرکت الکترون ها و در نهایت به وجود آمدن قوس (Arc) الکتریکی می شود.

قوس الکتریکی می تواند در زمان بسته شدن کنتاکت ها و باز شدن آنها به وجود بیاید. همچنین قوس الکتریکی به وجود آمده در زمان Bouncing کنتاکت ها شدیدتر است. در محدودۀ قوس الکتریکی با توجه به وجود مقاومت الکتریکی بالا، انرژی الکتریکی به انرژی گرمایی تبدیل می گردد. بنابراین دمای آن محدوده بالا می رود و ذوب شدن یا حتی تبخیر سطح کنتاکت ها را سبب می شود. از دیگر اثرات قوس الکتریکی ایجاد نویز بر روی خطوط داده است. در این بخش به تعدادی از روش های حذف قوس الکتریکی می پردازیم.

نکته: جرقه و قوس متفاوت از یکدیگرند. در واقع جرقه مدت زمان بسیار کوتاه و قدرت کمتری دارد. تفاوت جرقه با قوس در مدت زمان وجود داشتن آنها، قدرت آنها و نتیجتاً میزان گرمای تولید شده توسط آنهاست. قوس الکتریکی باعث ایجاد گرمای شدیداً بالا می شود، در حالی که جرقه (چون زمان کوتاهی دارد) چنین نیست. در این نوشته کلمات قوس و جرقه به معنی قوس الکتریکی هستند.

نکته: منظور از عبارت حذف قوس (Arc suppression) یا جرقه، صرفاً از بین بردن کامل آن نیست. این عبارت برای کاهش آن نیز به کار برده می شود.

تصویر 5 – تأثیر جرقه بر کنتاکت ها هنگام استفاده و عدم استفادۀ مدارات حذف جرقه

حذف جرقه رله با مدار Snubber

مدار یا شبکۀ اسنابر برای کنترل اثرات رآکتانس مدارات سوییچ به کار می رود. آنها می توانند Active و یا Passive باشند. مدارات اسنابر Passive شامل قطعاتی مانند مقاوت، خازن، سلف و دیود هستند. مدارات اسنابر Active علاوه بر قطعات ذکر شده، می توانند شامل ترانزیستور نیز باشند. مدارات اسنابر هم برای جریان های AC و هم جریان های DC استفاده می شوند. آنچه که در راه اندازی رله به عنوان اسنابر می شناسیم، معمولاً مدار اسنابر Passive است. این مدار اغلب متشکل از یک خازن و یک مقاومت سری است و در دو سر سوییچ و یا دو سر بار قرار می گیرد. آنها در کاربرد رله اغلب برای جریان AC به کار می روند.

مدار اسنابر در واقع با حذف ولتاژ گذرا هنگام باز شدن کنتاکت ها و مقاومت در برابر جریان هجومی در لحظۀ بسته شدن آنها، باعث کاهش و حذف جرقه می شود. در انتخاب مقاومت و خازن برای مدار اسنابر باید به ولتاژ خازن و همچنین حداکثر توان تحملی مقاومت توجه داشت. برای مثال ولتاژ خازن برای برق 220 ولت باید 400 ولت باشد. برای طراحی مدارات اسنابر اسناد و کتاب هایی وجود دارد که می توان به آنها مراجعه کرد. در تصویر زیر یک مدار اسنابر را به دو صورت موازی با بار و موازی با سوییچ رله می بینید. همچنین در سمت راست تصویر یک نمونه از آن را که در یک پکیج قرار دارد مشاهده می کنید. همچنین در تصاویر دیگر اتصال رله به میکروکنترلر که در ادامه خواهیم دید، مدار اسنابر RC مشاهده خواهد شد.

تصویر 6 – مدار اسنابر در رله و نمونه ای از آن در یک پکیج

قطعات الکترونیکی و الکتریکی برای حذف جرقه در رله

روش های مختلف دیگری برای حذف جرقۀ کنتاکت های رله وجود دارد. برخی از آنها در اینجا به طور مختصر شرح داده می شوند. حذف آرک رله در اتصال رله به میکروکنترلر از اهمیت ویژه ای برخوردار است. بنابراین برای این موضوع ممکن است در یک زمان بیش از یک روش استفاده شود.

• استفاده از دیود هرزگرد: این روش برای بارهای سلفی و هنگامی که جریان سوییچ DC است، به کار می رود. این دیود باعث حذف EMF برگشتی می شود و بدین معنا نیست که دیگر نیاز به محافظت بیشتر نیست. در واقع نمی توان به یقین گفت قوس الکتریکی کنتاکت ها حذف می شود. به ویژه در جریان های بالاتر قوس وجود خواهد داشت. برای حذف جرقه یا کاهش قابل قبول آن، نیاز است که مدارهای دیگری مثل اسنابر در نظر گرفته شوند. همچنین این دیود معمولاً به صورت موازی با بار بسته می شود.
• استفاده از دیود TVS یا وریستور اکسید فلزی (MOV): این روش برای جریان سوییچ AC و DC و بارهای سلفی استفاده می شود. دیود TVSی که برای این منظور به کار گرفته می شود باید از نوع دو طرفه باشد. وریستور اکسید فلزی و دیود TVS هم می توانند موازی با بار بسته شوند و هم موازی با سوییچ.

تصویر 7 – مدارهای حذف جرقه

روش هایی در ساختار رله برای حذف یا کاهش جرقه

این روش ها به صورت ساختاری در رله ها وجود دارند و ممکن است در اتصال رله به میکروکنترلر استفاده شوند.

• کنتاکت های سری: در این روش سوییچ توسط کنتاکت هایی که با هم سری هستند به طور همزمان انجام می شود. بنابراین فاصلۀ مؤثر بین کنتاکت ها (نسبت به یک کنتاکت) بیشتر می شود. افزایش فاصلۀ کنتاکت ها در لحظات سوییچ باعث کاهش جرقه می شود.
• میدان مغناطیسی: با استفاده از این روش طول مسیر قوس الکتریکی در سوییچ جریان های DC افزایش پیدا می کند. که این موضوع در حذف آن موثر است. همچنین ممکن است میدان مغناطیسی باعث شود که قوس از کنتاکت ها به تیغه ها هدایت شود. این میدان مغناطیسی می تواند با آهنربای دائم و یا آهنربای الکتریکی فراهم شود. به رله هایی با این ویژگی، Magnetic Blowout Relay می گویند.

تصویر 8 – کنتاکت های سری و آهنربای Blowout برای حذف آرک رله

• کنتاکت های شیپوری شکل: در این روش قوس الکتریکی ایجاد شده روی کنتاکت ها با توجه به شکل شیپوری کنتاکت ها (یا تیغه ها) از سطح کنتاکت ها به سمت بیرون قسمت شیپوری شکل هدایت می شود. در این روش ممکن است صفحاتی تحت عنوان Splitter Plate نیز برای حبس کردن قوس وجود داشته باشد. قوس الکتریکی وارد شده به این صفحات، به قوس های الکتریکی کوچک تبدیل می شود. و تا زمانی که از بین می روند در این صفحات باقی می مانند. این صفحات در فیوزهای مینیاتوری نیز دیده می شوند.
• رلۀ خلأ: در رلۀ خلأ قوس الکتریکی به وجود آمده ولتاژ کمتری نسبت به قوس در رله های عادی دارد. همچنین با توجه به این که کنتاکت ها در خلأ قرار دارند، می توانند در ولتاژهای بالا نیز بدون به وجود آمدن قوس الکتریکی در فاصلۀ نزدیک به یکدیگر قرار گیرند. در رلۀ خلأ چون هوا و اکسیژن وجود ندارد، کنتاکت ها عاری از اکسیداسیون هستند.

تصویر 9 – رلۀ خلأ و مراحل انتقال جرقه به صفحات Splitter با کنتاکت های شیپوری

تأمین جریان تحریک رله، درایور رله

برای اتصال رله به میکروکنترلر و درایو کردن آن لازم است جریان مورد نیاز سیم پیچ تأمین شود. برای تأمین این جریان مدارهایی وجود دارد. این مدارات می توانند تنها از ترانزیستور و مقاومت و یا از آی سی های درایور تشکیل شده باشند. در راه اندازی رله با ترانزیستور هنگام اتصال آن به میکروکنترلر بهتر است مدار در حالت سوییچ استفاده شود. بنابراین سیم پیچ رله باید به کلکتور متصل شود، نه به امیتر. اگر سیم پیچ رله به امیتر متصل شود، ولتاژی که روی آن می افتد، از ولتاژ بیس حدود 0.7 ولت کمتر است. در اتصال رله به میکروکنترلر با توجه به این که ولتاژ پایه های خروجی میکروکنترلرها به طور معمول 3.3 یا 5 یا حتی 1.7 ولت است، ولتاژی که روی سیم پیچ رله می افتد مقدار 0.7 ولت کمتر است. که رله هایی با ولتاژ سیم پیچ بالاتر، راه اندازی نمی شوند.

موضوع دیگر جریان است. وقتی سیم پیچ رله به امیتر متصل می شود، از دید بیس به اندازۀ β برابر مقاومت اهمی دارد. بنابراین جریان بیس محدود شده و در نهایت جریان سیم پیچ نیز کم می شود. در تصویر زیر چهار مدار راه انداز ترانزیستوری رله را می بینید. زوج های دارلینگتون برای تأمین جریان بیشتر هستند. همچنین زوج دارلینگتون برای مواقعی است که جریان بیس ترانزیستور راه انداز رله، از جریانی که انتظار داریم از پایۀ میکروکنترلر یا پایۀ خروجی مدار ایزوله کننده کشیده شود، بیشتر باشد. مقدار مقاومت روی بیس نیز با توجه به این جریان محاسبه می شود. همچنین ممکن است به جای یک مقاومت روی بیس، از تقسیم ولتاژ مقاومتی استفاده شود. که در نتیجۀ آن جریان کلکتور و مقدار به اشباع رفتن ترانزیستور تعیین می شود.

تصویر 10 – مدار راه انداز رله با ترانزیستورهای PNP و NPN به صورت تکی و زوج دارلینگتون

درایور رله با آی سی درایور

برای تأمین جریان تحریک رله می توان از آی سی های درایور نیز استفاده کرد. این آی سی ها ممکن است بافر نیز نامیده می شوند. آی سی های درایور تنها برای راه اندازی رله نیستند. هرگاه لازم باشد یک مصرف کنندۀ DC راه اندازی شود می توان از آنها استفاده کرد. یک تفاوت درایور با بافر این است که درایور می تواند ولتاژ و جریان خروجی متفاوت با ورودی داشته باشد. در صورتی که بافرها در خروجی ولتاژی برابر یا در حدود ولتاژ ورودی دارند. ضمناً نام بافر تنها به مدارات و آی سی هایی که برای تأمین جریان استفاده می شوند، اختصاص ندارد. بافر کلمه ای است که با معانی دیگری در علم الکترونیک و علوم دیگر نیز به کار می رود. برای اتصال رله به میکروکنترلر و راه اندازی آن با آی سی های درایور، انتخاب های متنوعی وجود دارد.

برای مثال آی سی ULN2003 که یک آرایۀ دارلینگتون است، نامی آشنا و کاربردی فراوان دارد. ULN2003 دارای 7 زوج دارلینگتون کلکتور باز است و می تواند 7 رله را راه اندازی کند. ULN2803 نیز یک آرایۀ دارلینگتون دیگر است که 8 زوج دارلینگتون کلکتور باز دارد. آی سی CS1107 یک آی سی درایور رله با آشکارسازی اتصال کوتاه و مدار باز شدن سیم پیچ است.  همچنین یک واحد محافظت از دمای بالا دارد که آی سی را در برابر دمای بالا محافظت می کند. این آی سی تک کانال، همانند ULN2003 و ULN2803 کلکتور باز است. آی سی های متنوع دیگری نیز وجود دارند. مثلاً آی سی MAX4896 یک درایور 8 کانال با پروتکل SPI است. آی سی TPL9201 نیز یک درایور رله با پروتکل I2C است. در آی سی های ذکر شده مدارات محافظت در برابر ولتاژ القایی معکوس سیم پیچ وجود دارد.

تصویر 11 – اتصال رله به میکروکنترلر، راه اندازی رله با ULN2003

روش های دیگر درایو کردن رله

برای اتصال رله به میکروکنترلر و راه اندازی آن می توان از قطعات دیگری نیز استفاده کرد. البته استفاده از این قطعات در راه اندازی رله مرسوم نیست. برای مثال می توان اپ امپ را در کاربرد مقایسه کننده به کار گرفت. در کاربرد راه اندازی رله باید اپ امپی استفاده شود که قابلیت اتصال تغذیۀ منفی به زمین را داشته باشد. در این صورت اگر ولتاژ پایۀ ورودی مثبت از ولتاژ پایۀ ورودی منفی بیشتر باشد، اپ امپ به اشباع مثبت می رود و خروجی آن برابر ولتاژ تغذیۀ مثبت می شود. در صورتی که ولتاژ پایۀ ورودی منفی از ولتاژ پایۀ ورودی مثبت بیشتر باشد، اپ امپ به اشباع منفی می رود و خروجی آن برابر ولتاژ تغذیۀ منفی که صفر است می شود.

همین کار را می توان با آی سی های مقایسه کننده نیز انجام داد. برای مثال آی سی LM339 یک مقایسه کننده است که می تواند برای تأمین جریان تحریک رله استفاده شود. نکته ای که وجود دارد این است که باید پایۀ منفی مقایسه کننده را مقداری بین سطوح ولتاژی Low و High ورودی آن قرار داد. برای مثال اگر ولتاژ سطح Low و High سیگنال فرمان به ترتیب صفر و 12 ولت باشد، ولتاژ پایۀ منفی مقایسه کننده باید مقداری بین این دو ولتاژ تعیین شود. برای مثال 6 ولت مقدار مناسبی است. این کار را می توان با تقسیم ولتاژ انجام داد.

همچنین قطعات دیگری تحت عنوان سوییچ آنالوگ وجود دارند که می توانند در راه اندازی رله استفاده شوند. آی سی هایی مانند CD4016 و AD7510 و AD7512 نمونه هایی از این سوییچ ها هستند. همان طور که گفته شد، این قطعات در راه اندازی رله مرسوم نیستند. در زیر دو مدار راه اندازی رله را با این قطعات می بینید.

تصویر 12 – اتصال رله به میکروکنترلر و درایور آن با اپ امپ و مقایسه کننده

حذف ولتاژ القایی معکوس رله

ولتاژ القایی معکوس یا ولتاژ فلای بک یک بار سلفی، عبارت است از ولتاژی که پس از قطع جریان تغذیۀ سلف در دو سر آن به وجود می آید. پس از قطع جریان تغذیه، میدان مغناطیسی سلف شروع به کاهش می کند. این کاهش میدان مغناطیسی مطابق قانون لنز، باعث به وجود آمدن یک جریان در سلف می شود. این سلف دارای جریان، اکنون همانند یک منبع جریان عمل می کند. همچنین برای این که سلف تخلیه شود زمانی حدود 5 برابر ثابت زمانی مدار نیاز است.

برای مثال اگر یک مقاومت 10 اهمی با یک سلف 1 هانری سری شده باشد، مقدار ثابت زمانی برابر است با L/R  = 0.1s. بنابراین 500 میلی ثانیه طول می کشد تا سلف تخلیه شود. در این زمان چون سوییچ باز است، انتظار نمی رود که جریانی برقرار شود. اما این جریان باعث بالا رفتن ولتاژ دو سر کنتاکت های سوییچ می شود. بنابراین جرقه و قوس پدید می آید و جریان از هوا عبور می کند. با توجه به مقدار مقاومت هوا که می تواند در حدود چند مگا اهم باشد، ولتاژ بزرگی پدید می آید. این ولتاژ با توجه با این که دارای پلاریتۀ معکوس نسبت به ولتاژ سلف در حالتی است که سوییچ بسته است و همچنین در اثر القا به وجود آمده است، ولتاژ القایی معکوس نامیده می شود.

با گذر زمانی در حدود پنج برابر ثابت زمانی، جریان و ولتاژ ایجاد شده صفر می شوند. در بخش های پیشین دربارۀ حذف جرقۀ ناشی از ولتاژ القایی معکوس صحبت شد. در این بخش به حذف و کاهش آن در سیم پیچ رله خواهیم پرداخت. به یاد داشته باشید که حذف ولتاژ القایی معکوس در اتصال رله به میکروکنترلر بسیار اهمیت دارد.

تصویر 13 – مراحل ایجاد ولتاژ فلای بک و جرقه و قوس الکتریکی

حذف ولتاژ القایی معکوس سیم پیچ رله با دیود هرزگرد

در اتصال رله به میکروکنترلر، مداراتی که جریان تحریک را فراهم می کنند باید در برابر ولتاژ القایی معکوس سیم پیچ محافظت شوند. هنگامی که جریان سیم پیچ رله توسط مدارات تأمین جریان قطع می شود، جریان همچنان در سیم پیچ وجود دارد. این جریان با توجه به این که مقاومت المان سوییچ در هنگام قطع، بالاست، ولتاژی بزرگ پدید می آورد. این ولتاژ و جریان می توانند به المان سوییچ آسیب برساند. برای این که از المان سوییچ محافظت کنیم باید جریان سیم پیچ را به مسیر دیگری منتقل کنیم.

متداول ترین راه برای این کار، استفاده از یک دیود به عنوان دیود هرزگرد (Freewheeling Diode) است. دیود هرزگرد نام های متفاوتی دارد. دیود هرزگرد رله، دیود فلای بک، دیود اسنابر، دیود سرکوب کننده، دیود Catch، دیود Clamp، دیود Kickback، دیود Flywheel، دیود رله و … نام هایی است که به این دیود داده اند. این دیود با سیم پیچ رله در بایاس معکوس موازی می شود. بنابراین هنگام قطع جریان سیم پیچ، ولتاژ القایی معکوس باعث روشن شدن دیود می شود. در این هنگام جریان سیم پیچ از دیود عبور کرده و دوباره به سیم پیچ برمی گردد. این جریان پس از زمانی حدود 5 برابر ثابت زمانی مدار، به صفر می رسد.

در تصویر زیر یک رله را می بینید که سیم پیچ آن با ترانزیستور تحریک می شود. همان طور که ملاحظه می شود، پس از قطع ترانزیستور، جریان سیم پیچ توسط دیود هرزگرد به خودش برمی گردد. یکی از معایب این روش زیاد بودن ثابت زمانی به علت کم بودن مقدار مقاومت اهمی سیم پیچ است (T=L/R). در نتیجه جریان سیم پیچ لحظات بیشتری باقی می ماند و هستۀ آن مدت زمان بیشتر دارای خاصیت آهنربایی است. بنابراین پس از قطع تحریک، مدت زمانی طول می کشد تا کنتاکت های رله به حالت نرمال برگردند.

تصویر 14 – حذف ولتاژ القایی معکوس با دیود هرزگرد و جریان سیم پیچ رله

بهبود زمان عملکرد رله در هنگام قطع جریان تحریک

همان طور که گفته شد، وقتی از یک دیود هرزگرد استفاده می کنیم، هنگام قطع جریان سیم پیچ، دیود روشن می شود و جریان در سیم پیچ تا زمان اتلاف آن توسط مقاومت اهمی سیم پیچ گردش می کند. با توجه به مقدار کم مقاوت سیم پیچ، ثابت زمانی مدار بالاست. بنابراین برای مدتی جریان وجود خواهد داشت. ممکن است در اتصال رله به میکروکنترلر یا المان های دیجیتال دیگر، کم بودن این زمان مهم باشد. برای کاهش این زمان می توان از یک مقاومت سری با دیود استفاده کرد که جریان در آن تلف شود. می بینیم که با افزایش مقاومت مدار، مطابق فرمول T=L/R، مقدار ثابت زمانی کم می شود. در نتیجه مدت زمانی که جریان در مدار و سیم پیچ وجود خواهد داشت (p5T)، کاهش می یابد. بنابراین کنتاکت های رله طی مدت زمانی کوتاه تر به حالت نرمال برمی گردند.

یک راه دیگر، استفاده از دیود زنر به جای مقاومت است. ولتاژ معکوس که از فرمول V=L (di/dt) محاسبه می شود، باعث روشن شدن دیود هرزگرد و دیود زنر می شود. دیود زنر این ولتاژ را محدود می کند و با اتلاف توان باعث تسریع عملکرد رله در هنگام قطع تحریک می شود. برای این که توان در دو سر دیود زنر سریعاً اتفاق بیفتد لازم است ولتاژ دیود زنر بالا انتخاب شود. مقدار Vz > 2VCC می تواند این اطمینان را بدهد که رله در هنگام قطع تحریک، عملکرد سریعی خواهد داشت. همچنین باید توجه شود که مقدار دیود زنر کمتر از مقدار V_CE(MAX) – VCC – 0.7 باشد. به نظر می رسد مقاومت دینامیکی کم دیود زنر هنگام روشن شدن، زمان تخلیۀ سیم پیچ رله را زیاد کند. اما با توجه به ولتاژ دیود زنر، مقدار جریان زیادی از آن عبور می کند و اتلاف توان سریعاً اتفاق می افتد.

تصویر 15 – مقاومت و دیود زنر برای اتلاف توان و سرعت بخشیدن به رله در هنگام قطع تحریک

انتخاب دیود هرزگرد مناسب

آنچه که تاکنون دربارۀ حذف ولتاژ معکوس گفته شد، توضیحاتی کلی دربارۀ آن و روش حذف آن بود. در اینجا به ذکر نکاتی دربارۀ انتخاب نوع دیود هرزگرد می پردازیم. ذکر این نکات برای تکمیل موضوع اتصال رله به میکروکنترلر ضروری به نظر می رسد. برای انتخاب دیود هرزگرد باید به ولتاژ بایاس معکوس آن و همچنین حداکثر جریان بایاس مستقیم آن توجه کنیم. دیود هرزگرد باید ولتاژ بایاس معکوس بیشتری نسبت به ولتاژ تحریک سیم پیچ داشته باشد. بهتر است دیودی انتخاب شود که ولتاژ بایاس معکوس DC آن بیشتر از دو برابر ولتاژ تحریک سیم پیچ باشد. همچنین دیود باید در بایاس مستقیم بتواند جریان ناشی از ولتاژ معکوس را به خوبی هدایت کند. اگرچه این جریان لحظه ای است، اما ممکن است باعث آسیب دیودهایی با حداکثر جریان بایاس مستقیم کم شود.

برای انتخاب دیود با جریان بایاس مستقیم مناسب، باید به مشخصۀ I_FSM توجه شود. این مشخصه بیان کنندۀ حداکثر پیک جریان لحظه ای است که دیود می تواند از خود عبور دهد. نکتۀ دیگر در انتخاب دیود هرزگرد، سرعت روشن شدن آن است. از آنجا که ولتاژ القایی معکوس باید سریعاً خنثی شود، بهتر است از دیودهایی با سرعت روشن شدن سریع استفاده شود. اغلب دیودهای سریع مانند دیودهای شاتکی یا دیودهای سریع دیگر، زمان Recovery کوتاهی دارند. این زمان در کاربرد رله با زمان روشن شدن دیود رابطه ای ندارد. با این حال برای حذف سریع ولتاژ القایی معکوس سیم پیچ رله، دیودهای سریعی مانند دیودهای شاتکی و حتی TVS دو طرفه و همچنین دیودهای سریع دیگر توصیه می شوند.

تصویر 16 – دیود 1N4148، دیود TVS دو طرفه و شاتکی به عنوان دیود هرزگرد

ایزوله کردن در اتصال رله به میکروکنترلر

منظور از تغذیۀ رله در اینجا VCC و زمین مدار درایور رله است. ایزوله کردن تغذیۀ رله از تغذیۀ میکروکنترلر هنگام اتصال رله به میکروکنترلر از دو جهت انجام می شود. اول این که از آسیب به میکروکنترلر در صورت وجود اتصال کوتاه در مدار درایور، جلوگیری می کند. دوم این که از ورود نویز ایجاد شده در بخش تحریک و سوییچ، به پایه های میکروکنترلر جلوگیری شود. قطعه ای که برای انتقال فرمان میکروکنترلر به مدار درایور در مدار ایزوله استفاده می شود، اغلب اپتوکوپلر است. در تصویر زیر دو مدار را ملاحظه می کنید. در مدار سمت چپ از اپتوکوپلر برای راه اندازی رله و همچنین ایزولاسیون استفاده شده است. اگر جریان راه اندازی رله کم باشد، می توان از خروجی اپتوکوپلر برای درایو کردن رله استفاده کرد.

تصویر 17 – اتصال رله به میکروکنترلر و ایزوله کردن VCC و زمین آن با اپتوکوپلر

جدا کردن زمین و VCC رله از میکروکنترلر می تواند در چند سطح انجام شود. سطح اول این است که VCC و زمین میکروکنترلر و رله یکی باشند ولی با فیلترهایی ساخته شده از سلف و خازن و …، تأثیر نویز کاهش یابد. در این سطح ممکن است در طراحی PCB نیز نکاتی مورد توجه قرار گیرد. مثلاً مسیرهای VCC و زمین رله در همان نقطۀ ابتدایی خروجی منبع تغذیه، با یک ترک باریک از VCC و زمین کل سیستم جدا شوند. سطح دوم این است که VCCها ایزوله باشند و زمین یکسان باشد. در این صورت می توان با قرار دادن فیلترهایی روی زمین آن، جداسازی را بهبود داد. سطح سوم این است که هم VCC و هم زمین ایزوله باشند. در این صورت ایزوله کردن به صورت کامل انجام می شود.

برای این کار می توان از دو منبع تغذیۀ جداگانه و یا دو خروجی یک تراسفورمر استفاده کرد. همچنین می توان از دو خروجی یک منبع تغذیۀ سوییچینگ استفاده کرد.

تصویر 18 – دو منبع ولتاژ جداگانه برای اتصال رله به میکروکنترلر به صورت ایزوله

مدار نمایشگر در اتصال رله به میکروکنترلر

یکی از ملزومات دستگاه ها و سیستم های دارای رله، نمایش وضعیت رله است. یعنی به طریقی تحریک یا عدم تحریک رله، نمایش داده شود. ممکن است در این سیستم ها نمایشگرهای LCD وجود داشته باشد و با توجه به وضعیت پایۀ میکروکنترلر، وضعیت رله نیز نمایش داده شود. همچنین ممکن است در مدارات اتصال رله به میکروکنترلر، برای این کار از LED استفاده شود. این LED می تواند به صورت های مختلفی در جاهای مختلف قرار گیرد. برای مثال در مدار شمارۀ 1 تصویر زیر می بینیم که یک LED روی پایۀ بیس ترانزیستور قرار گرفته است. ایراد چنین مداری این است که اگر LED بسوزد و مدار باز شود، دیگر نمی توان ترانزیستور را روشن کرد.

در مدار شمارۀ 2، این LED با پایه های ورودی اپتوکوپلر سری شده است. ایراد مدار 1 در اینجا نیز وجود دارد. روش مناسب تر، موازی کردن این LED و مقاومت آن با سیم پیچ رله است. هرگاه ترانزیستور راه انداز (یا IC درایور) روشن شود، ولتاژ تغذیه علاوه بر سیم پیچ رله، به دو سر این مقاومت و LED هم اعمال می شود. بنابراین LED روشن می شود و این موضوع نشان دهندۀ تحریک رله است. این روش در مدار شمارۀ 3 تصویر زیر، مشاهده می شود.

تصویر 19 – اتصال LED به رله در سه مکان مختلف

مدار نهایی اتصال رله به میکروکنترلر

در بخش های قبلی دربارۀ مداراتی برای حذف جرقۀ کنتاکت ها، حذف ولتاژ معکوس سیم پیچ رله، تأمین جریان راه اندازی آن، ایزوله کردن رله و همچنین مدار نمایشگر وضعیت رله مطالبی را بیان کردیم. در این بخش مدار کامل اتصال رله به میکروکنترلر را بررسی می کنیم. با توجه به این که هر مداری که بررسی کردیم، خود به اشکال مختلف با اتصالات مختلف هستند، از ترکیب آنها چندین مدار برای اتصال رله به میکروکنترلر حاصل می شود.

برای مثال پایۀ میکروکنترلر را می توان به دو صورت به ورودی اپتوکوپلر متصل کرد. یکی این که آند به VCC وصل باشد و کاتد به پایۀ میکروکنترلر. و دیگری به این صورت که کاتد به زمین وصل شود و آند به پایۀ میکروکنترلر. و یا خروجی آن را می توان به دو صورت به پایۀ بیس ترانزیستور درایور متصل کرد. یا این که کلکتور پول آپ شود و به بیس متصل شود و امیتر زمین شود. یا امیتر به بیس ترانزیستور داده شود و کلکتور به VCC وصل شود. در تصویر زیر نمونه ای از مدار اتصال رله به میکروکنترلر را می بینید. همان طور که مشاهده می شود، مدار حذف جرقۀ کنتاکت ها، مدار حذف ولتاژ القایی معکوس سیم پیچ، مدار راه انداز، مدار ایزوله کننده و همچنین مدار نمایشگر در این مدار وجود دارند.

تصویر 20 – یک مدار اتصال رله به میکروکنترلر

اتصال رله های دیگر به میکروکنترلر

هر آنچه تاکنون دربارۀ اتصال رله به میکروکنترلر بررسی کردیم، مربوط به رلۀ الکترومکانیکی DC معمولی بود. رله های الکترومکانیکی دیگر نظیر رلۀ Reed، رلۀ لچ و هر رلۀ الکترومکانیکی DC، در راه اندازی و اتصال به میکروکنترلر مانند رلۀ الکترومکانیکی معمولی است. البته ممکن است تفاوت هایی وجود داشته باشد. مثلاً در رلۀ لچِ دارای دو سیم پیچ، باید برای هر سیم پیچ، مدارهای بخش تحریک به صورت جداگانه در نظر گرفته شوند. مثال دیگر کنتاکتور است. برای راه اندازی کنتاکتورها ممکن است نیاز باشد از یک مدار درایور با جریان بالا استفاده کنیم. همچنین برای راه اندازی برخی MEMS سوییچ ها لازم است ولتاژهای بالا برای تحریک ایجاد کنیم. بنابراین هر کدام از رله های موجود ممکن است به طریقی متفاوت راه اندازی شود. در ادامه به اتصال رله های AC و رله های حالت جامد به میکروکنترلر می پردازیم.

برای اتصال رله AC به میکروکنترلر ممکن است روش ها و راه های متفاوتی وجود داشته باشد. راه ساده، استفاده از یک رلۀ DC برای راه اندازی سیم پیچ آن است. بنابراین با فرمان میکروکنترلر، رلۀ DC عمل می کند و جریان سیم پیچ رلۀ AC را تأمین می کند. راه دیگر استفاده از قطعات الکترونیک صنعتی مثل SCRها و ترایاک هاست. برای درایو رلۀ الکترومکانیکی AC، سیم پیچ آن مانند بار سلفی در نظر گرفته می شود. بنابراین مداراتی برای حذف ولتاژ القایی معکوس در بخش سوییچ رلۀ DC یا قطعۀ الکترونیک صنعتی نیاز است. در تصویر زیر دو روش گفته شده برای درایو رلۀ AC را می بینید. در اتصال رلۀ هیبریدی به میکروکنترلر باید دقت شود که بخش سوییچ رلۀ الکترومکانیکی آن معمولاً نیازی به مدارات حذف جرقه ندارد. زیرا سوییچ جریان بار ابتدا توسط رلۀ حالت جامد است. بنابراین در این نوع رله جرقه وجود ندارد.

تصویر 21 – مدار راه اندازی رلۀ الکترومکانیکی AC

اتصال رله حالت جامد به میکروکنترلر

در بخش های پیشین دربارۀ اتصال رله به میکروکنترلر بحث شد. رله هایی که دربارۀ آنها صحبت کردیم همگی الکترومکانیکی بودند. در این بخش اتصال رله های حالت جامد به میکروکنترلر را مورد بررسی قرار می دهیم. منظور ما از رلۀ حالت جامد تنها رله های SSR نیستند. بلکه رله های استاتیک را نیز شامل می شوند. در نوشتۀ رله گفتیم که رلۀ استاتیک، یک مدار شامل قطعات حالت جامد برای شبیه سازی عملکرد رلۀ الکترومکانیکی است. بنابراین منظور ما از رلۀ حالت جامد در این نوشته، هم رلۀ SSR است و هم رلۀ استاتیک. رله های حالت جامد معمولاً در بخش تحریک، یک ایزوله کنندۀ نوری دارند که بخش تحریک را از بخش درایو و سوییچ جدا می کند. یک مزیت وجود این ایزوله کننده این است که می توان آن را مستقیماً به میکروکنترلر متصل کرد. البته باید به جریان کشی بخش تحریک نیز توجه کرد.

ممکن است نیاز باشد این بخش با ترانزیستور یا آی سی درایور به میکروکنترلر متصل شود. اگر تحریک رلۀ حالت جامد، ولتاژ AC باشد، باید با روش های درایو رلۀ AC راه اندازی شود. و چون بخش تحریک رلۀ حالت جامد بار سلفی ندارد، نیاز به مدارهای حفاظت در برابر ولتاژ القایی معکوس نیست. در بخش سوییچ رلۀ حالت جامد ممکن است از SCR یا ترایاک استفاده شده باشد. این رله ها به صورت داخلی از ولتاژ القایی معکوس بار حفاظت شده اند. اما گاهی برای حفاظت بیشتر، تدابیر دیگری نیز در نظر گرفته می شود. مثلاً یک وریستور اکسید فلزی در دو سر خروجی آن یا دو سر بار قرار می دهند. در تصویر زیر یک نمونه اتصال رلۀ SSR به میکروکنترلر مشاهده می شود.

تصویر 22 – اتصال یک نمونه رلۀ حالت جامد به میکروکنترلر

نتایج اتصال رله به میکروکنترلر

1. برای راه اندازی رله با میکروکنترلر مداراتی نیاز است که اهداف استفاده از این مدارها عبارتند از: حذف جرقۀ کنتاکت ها، درایو کردن رله، حذف ولتاژ القایی معکوس سیم پیچ رله، ایزولاسیون، نمایش وضعیت رله.
2. در میان رله ها، رلۀ الکترومکانیکی برای راه اندازی و اتصال به المان های دیجیتال، نیازمند ملاحظات بیشتری است.
3. اتصال رلۀ الکترومکانیکی به طور مستقیم به میکروکنترلر حتی اگر پایۀ خروجی میکروکنترلر بتواند آن را راه اندازی کند، باعث آسیب به میکروکنترلر و اخلال در عملکرد آن می شود.
4. مدارات و المان های بین میکروکنترلر و بار به ترتیب از سمت میکروکنترلر عبارتند از: مدار ایزوله کننده، مدار راه انداز رله، مدار حذف ولتاژ القایی معکوس سیم پیچ رله، رله، مدار حذف آرک رله.
5. منشأ قوس الکتریکی، جرقه است و منشأ جرقه اختلاف پتانسیل بالای دو کنتاک است. این اختلاف پتانسیل به قدری بالاست که هوا یا حتی خلأ را رسانا می کند.
6. قوس الکتریکی باعث ذوب و یا حتی تبخیر سطح کنتاکت ها می شود. همچنین یکی از عوامل نویز در سیستم های شامل رله است.
7. از جمله روش های حذف جرقۀ کنتاکت های رله، مدار اسنابر، دیود هرزگرد، دیود TVS، وریستور اکسید فلزی و روش هایی در ساختار رله است.
8. دو روش کلی برای طراحی مدار درایور رله وجود دارد: استفاده از ترانزیستورها و استفاده از آی سی های درایور. روش های دیگر مثل استفاده از اپ امپ ها یا مقایسه کننده ها مرسوم نیست.
9. منشأ ولتاژ القایی معکوس، قطع جریان بار سلفی و همچنین وجود مقاومت بالا در مسیر آن است.
10. پرکاربردترین روش حذف ولتاژ القایی معکوس سیم پیچ رله، استفاده از دیود هرزگرد است.
11. برای بهبود عملکرد رله در هنگام قطع جریان تحریک می توان از مقاومت یا دیود زنر سری با دیود هرزگرد استفاده کرد.
12. استفاده از دیودهای سریع، دیودهای TVS و دیودهای شاتکی به عنوان دیود هرزگرد توصیه می شود.
13. برای حذف هر چه بهتر نویز ناشی از سوییچ در رله و همچنین حفاظت از پایه های میکروکنترلر، بهتر است بین تغذیۀ میکروکنترلر و رله ایزولاسیون کامل برقرار شود.
14. ساده ترین راه برای نمایش وضعیت رله، استفاده از LED است. بهتر است LED به صورت موازی با سیم پیچ رله بسته شود.
15. راه اندازی رله های الکترومکانیکی DC دیگر (مانند رلۀ Reed، رلۀ لچ و …) و اتصال آنها به میکروکنترلر همانند اتصال رلۀ الکترومکانیکی DC معمولی به میکروکنترلر است.
16. برای اتصال رلۀ الکترومکانیکی AC به میکروکنترلر، باید مداراتی برای درایو سیم پیچ رله با جریان AC ساخته شود. این مدار می تواند یک رلۀ الکترومکانیکی DC یا مداراتی شامل قطعات الکترونیکی صنعتی مثل تریستورها و ترایاک ها باشد.
17. رلۀ حالت جامد معمولاً می تواند بدون نیاز به مدار ایزولاتور و مدار درایور به میکروکنترلر متصل شود. راه اندازی رله حالت جامد به مراتب راحت تر از رلۀ الکترومکانیکی است.
18. در بخش سوییچ رلۀ حالت جامد معمولاً مدارات حفاظت در برابر ولتاژ القایی معکوس ناشی از بار سلفی، به صورت داخلی وجود دارد. با این حال ممکن است حفاظت های بیشتری نیاز باشد.