继电器基础知识与Arduino控制

继电器(Relay),也称电驿,是一种电子控制器件,它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路),通常应用于自动控制电路中,它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。[来自维基百科]

继电器按输入信号性质分为:电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器、压力继电器;按工作原理分为:电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、电子式继电器、热继电器、光继电器。我们一般使用Arduino控制的是小型直流电磁式继电器。

继电器分类

 

时间继电器:时间继电器用来延迟接触操作,有通电后延迟接触者和断电后延迟断开者(或两者兼有)的型号。

电磁继电器:依据输入线圈的电流性质,分为直流继电器和交流继电器。直流继电器与交流继电器在控制方式上并无区别,但是在铁心结构上有区别。交流继电器,因电流产生交变磁场,在磁感应强度过零时,触点会断开,产生振动与噪音,因此在铁心上增加短路环,延迟铁心磁场变化,可以防止触点振动。

热敏干簧继电器:是一种利用热敏磁性材料检测和控制温度的新型热敏开关。它由感温磁环、恒磁环、干簧管、导热安装片、塑料衬底及其他一些附件组成。热敏干簧继电器不用线圈励磁,而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。恒磁环能否向干簧管提供磁力是由感温磁环的温控特性决定的。

固态继电器(solid state relay,SSR):是利用一颗发光二极管(LED)等发光元件与一颗光晶体管等光接收元件作成之光耦合器,触发硅控整流器(SCR)或双向硅控整流器(TRIAC),因此可以接受低压(DC或AC)信号输入,而驱动高压之输出,具隔离输出入及控制高功率输出之效果。优点是开关速度快、工作频率高、使用寿命长、噪声低和工作可靠,用于防爆场所,也有许多的不利的地方,例如:当闭合的时候,高的电阻(发热),增加电噪音。当断开的时候,低的电阻,反向漏电流(通常 µA 范围)。可使用于取代常规电磁式继电器,广泛用于数位程控装置。固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。按开关型式可分为常开型和常闭型。按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型,以光电隔离型为最多。

磁簧继电器:是以线圈产生磁场将磁簧管作动之继电器,为一种线圈传感装置。因此磁簧继电器之特征、小型尺寸、轻量、反应速度快、短跳动时间等特性。当整块铁磁金属或者其它导磁物质与之靠近的时候,发生动作,开通或者闭合电路。由永久磁铁和干簧管组成。永久磁铁、干簧管固定在一个不导磁也不带有磁性的支架上。以永久磁铁的南北极的连线为轴线,这个轴线应该与干簧管的轴线重合或者基本重合。由远及近的调整永久磁铁与干簧管之间的距离,当干簧管刚好发生动作(对于常开的干簧管,变为闭合;对于常闭的干簧管,变为断开)时,将磁铁的位置固定下来。这时,当有整块导磁材料,例如铁板同时靠近磁铁和干簧管时,干簧管会再次发生动作,恢复到没有磁场作用时的状态;当该铁板离开时,干簧管即发生相反方向的动作。 磁簧继电器结构坚固,触点为密封状态,耐用性高,可以作为机械设备的位置限制开关,也可以用以探测铁制门、窗等是否在指定位置。

光继电器:光继电器为AC/DC并用的半导体继电器,指发光器件和受光器件一体化的器件。输入侧和输出侧电气性绝缘,但信号可以通过光信号传输。其特点为寿命为半永久性、微小电流驱动信号、高阻抗绝缘耐压、超小型、光传输、无接点等。主要应用于量测设备、通信设备、保全设备、医疗设备等。

继电器的工作原理:当线圈通电以后,铁芯被磁化产生足够大的电磁力,吸动衔铁并带动簧片,使动触点和静触点闭合或分开,即原来闭合的触点断开、原来断开的触点闭合。当线圈断电后,电磁吸力消失,衔铁返回原来位置,触点又恢复到原来闭合或分开的状态。

继电器工作原理动图

 

继电器工作原理

 

在选用小型直流电磁式继电器时,我们需要注意以下几个问题:

  • 线圈直流电阻;
  • 额定工作电压或额定工作电流;
  • 吸合电压或电流;
  • 释放电压或电流;
  • 触点负载(指继电器触电在切换时能够承受的电压和电流值)

选用继电器时,一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。控制电路应能给继电器提供足够的工作电流,否则继电器吸合是不稳定的。考虑上述因素之后,再考虑继电器的体积问题。

一般通过Arduino控制继电器是通过输出高低电平来控制继电器内部衔铁的开闭,从而达到控制大电流高电压电路的目的。

比如有一次做一个项目需要用到24V堵转电流为3A 的大功率减速电机,我原来使用大功率的L298P电机控制模块来对电机进行PWM调速控制,但是由于电机的堵转电流太大,以至于模块出了问题,最终不得不通过继电器来控制电机的通断以及转向。

或许有小伙伴会疑惑要怎么使用继电器来控制转向,我下面来说一下,我的做法是使用两个继电器来构成一个类似于H桥结构的电路,通过控制两个继电器的通断可以使得电机两端分别接电源正极和负极。

PS:有一个需要注意的是,在两个继电器状态变换之前,需要使用delay()函数进行延时50ms左右,否则会造成电源短路!!

使用继电器时,我们可以选择使用单独一个单路或者双路的继电器元件,或者使用现成的继电器模块,某宝上有售。

下图是单独的继电器:

单个双路继电器

下图是常见的继电器模块:

一路继电器模块如果需要控制220V市电则需要使用带有光耦保护的继电器模块(图中是四路的,也可以选购一路或者两路的):

多路带光耦继电器模块

 

如何使用Arduino控制继电器?

在拿到一个继电器的时候,我们可以测试相关的参数:

1,使用数字万用表来测试继电器的引脚:用数字万用表的电阻档,测量常闭触点与动点电阻,其阻值应为0;而常开触点与动点的阻值就为无穷大。由此可以区别出哪个是常闭触点,哪个是常开触点。

2,测量吸合电压和吸合电流:找来可调稳压电源和电流表,给继电器输入一组电压,且在供电回路中串入电流表进行监测。慢慢调高电源电压,听到继电器吸合声时,记下该吸合电压和吸合电流。为求准确,可以试多几次而求平均值。

3,测量释放电压和释放电流:也是像上述那样连接测试,当继电器发生吸合后,再逐渐降低供电电压,当听到继电器再次发生释放声音时,记下此时的电压和电流,亦可尝试多几次而取得平均的释放电压和释放电流。一般情况下,继电器的释放电压约在吸合电压的10~50%,如果释放电压太小(小于1/10的吸合电压),则不能正常使用了,这样会对电路的稳定性造成威胁,工作不可靠。

以下是具体的接线方法:

1,使用单个继电器元件来控制外电路。

继电器连接图

 

具体的代码很简单,就是使用digitalWrite()函数来控制具体数字端口的高低电平来使得继电器通或断。这里就不给出了。

2,使用继电器模块:

relayArduino

 

继电器模块就需要查询相关说明,要看是低电平触发还是高电平触发的继电器模块。就对应的也是使用digitalWrite()函数来控制对应的pin(图中是D10口)的高低电平就可以控制外电路的通断了。具体的代码很简单,这里也不给出。

参考:维基百科

《电子工程师必备:元器件应用宝典》 胡松 胡斌著 人民邮电出版社

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