Popularny minikomputer Raspberry Pi doskonale nadaje się do sterowania urządzeniami o sporym poborze mocy, w tym także zasilanymi napięciem sieciowym – z pomocą, jak zwykle w takich aplikacjach, przychodzą klasyczne przekaźniki.
Platforma Raspberry Pi, dzięki ogromnej łatwości programowania i doskonałej cenie, zrobiła furorę zarówno wśród amatorów elektroniki i informatyki, jak i profesjonalistów, tworzących komercyjne aplikacje systemów wbudowanych. Jednym z ciekawszych zastosowań tych niedrogich i bardzo wydajnych minikomputerów są wszelkiego rodzaju systemy tzw. „małej automatyki” – począwszy od zdalnie sterowanych systemów nawadniania i monitorowania upraw roślin, aż po instalacje automatyki budynkowej. Wszędzie tam, gdzie zachodzi potrzeba wysterowania za pomocą minikomputera odbiorników o dużym poborze mocy i/lub wysokim napięciu zasilania, do akcji wkracza klasyczny przekaźnik do systemu Raspberry Pi. Bez problemu może on wysterować taki element, o ile tylko zostanie on użyty zgodnie z kilkoma podstawowymi zasadami bezpieczeństwa. W tym artykule podamy garść praktycznych porad dotyczących prawidłowego podłączania przekaźników do wyprowadzeń GPIO „malinowych” minikomputerów.
Większość popularnych przekaźników (nie licząc przekaźników półprzewodnikowych, tzw. SSR) to typowe, znane od dziesięcioleci przekaźniki elektromagnetyczne. Wyposażone są one w elektromagnes (cewkę z rdzeniem ferromagnetycznym), który poprzez przyciąganie specjalnej dźwigni jest w stanie przełączać jedną lub nawet kilka par styków, zasilających obciążenie. Takie rozwiązanie ma szereg zalet. Z jednej strony zapewnia całkowitą, galwaniczną izolację układu sterującego od obwodu „mocy” (często zasilanego bezpośrednio z sieci energetycznej napięciem 230 V lub 110 V). Z drugiej – wprowadza pomijalnie małe straty w przełączanym obwodzie, gdyż z elektrycznego punktu widzenia styki przekaźnika niczym nie różnią się od zwykłego, manualnego przełącznika. Od strony cewki konieczne jest jednak zastosowanie odpowiedniego obwodu sterującego, sprzęgającego ją z układem elektronicznym. Po pierwsze – pobór prądu cewki zwykle przekracza kilkanaście miliamperów, co oznacza, że nie może być ona sterowana bezpośrednio z wyjść układów cyfrowych (mikrokontrolerów bądź bramek logicznych). Po wtóre, cewka podczas wyłączania „oddaje” zgromadzoną w polu magnetycznym rdzenia energię w postaci impulsu samoindukcji, który – starając się utrzymać wcześniejszą wartość natężenia prądu sprzed momentu odcięcia zasilania – może uzyskać amplitudy na poziomie kilkuset woltów (i więcej).
Mając na uwadze wspomniane wcześniej problemy – dość duży pobór prądu cewki przekaźnika oraz skłonność do generowania przez nią impulsów samoindukcji – konieczne jest zastosowanie odpowiednich środków zaradczych, jeżeli przekaźnik ma bezproblemowo współpracować z minikomputerem (lub dowolnym innym układem cyfrowym). Najczęściej stosowane rozwiązanie polega na zasileniu cewki przekaźnika za pomocą małego tranzystora bipolarnego lub MOSFET, przełączanego już bezpośrednio (w przypadku MOSFET-ów) lub poprzez szeregowy rezystor (w przypadku tranzystorów BJT) przez wyjście układu cyfrowego. Przed powstawaniem impulsów samoindukcji, które bez trudu mogłyby wyrządzić w układzie cyfrowym spore szkody, doskonale zabezpiecza… szybka dioda (najlepiej Schottyky’ego), włączona równolegle do cewki przekaźnika, w kierunku zaporowym względem napięcia zasilania (tj. katodą w stronę wyższego potencjału). Jej zadaniem jest „rozładowanie” cewki i ograniczenie napięcia impulsu samoindukcji do bezpiecznej dla układu elektronicznego wartości.
W implementacji przekaźników do sterowania obciążeniami zasilanymi z zewnętrznych obwodów (w tym sieciowych) istnieje jeszcze jedna pułapka, o której często zapominają mniej doświadczeni elektronicy. W celu zapewnienia niezbędnego poziomu bezpieczeństwa konieczne jest bowiem zapewnienie odpowiedniej bariery izolacyjnej, chroniącej przed przebiciem do układu elektronicznego, spowodowanym obecnością wysokiego napięcia w obwodzie styków przekaźnika. Wymagana szerokość bariery izolacyjnej pomiędzy obwodem sterującym, a wyjściem przekaźnika, wynika bezpośrednio z norm branżowych i powinna być dobrana w zależności od poziomu bezpieczeństwa, jaki musi zapewnić użytkownikowi. Na szczęście, dziś na rynku obecnych jest wiele gotowych modułów z przekaźnikami, w tym nakładki przeznaczone specjalnie dla „maliny” – warto tutaj wymienić chociażby moduły z serii Relay Hat, dostępne od ręki w ofercie sklepu Botland. Po właściwym podłączeniu odpowiedniego modułu do Raspberry Pi, sterowanie przekaźnikami może odbywać się z wykorzystaniem dowolnego oprogramowania, posiadającego bezpośredni dostęp do linii GPIO procesora – pisząc własne aplikacje w języku C/C++ lub Python, warto sięgnąć po sprawdzone rozwiązanie w postaci biblioteki WiringPi.
