Przekaźniki do Raspberry Pi

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.

Zalety stosowania przekaźników w układach elektronicznych oraz najczęstsze problemy

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).

Prawidłowe sterowanie przekaźnikiem za pomocą układu elektronicznego

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.

Gotowe moduły przekaźników – ułatwienie dla konstruktorów

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.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *

dziesięć + cztery =