Relay Module PanosRCng Στην πορεία προς ένα μέλλον αυτοματισμών, όπου θα μπορούμε να ελέγχουμε τα πάντα μέσω του φιλόξενου περιβάλλοντος του προσωπικού μας υπολογιστή, ή θα μπορούμε να αναθέτουμε σε ένα πρόγραμμα να ελέγχει τα πάντα για εμάς, διότι εμείς, φυσικά, έχουμε καλύτερα πράγματα να κάνουμε, όπως για παράδειγμα να γράφουμε την επόμενη έκδοση του προγράμματος, στο οποίο έχουμε αναθέσει να ελέγχει τα πάντα για εμάς, ώστε εμείς να έχουμε κάτι καλύτερο να κάνουμε......πριν φτάσουμε λοιπόν σε αυτό το μέλλον, πρέπει να δαπανήσουμε χρόνο και προσπάθεια στην δημιουργία συστημάτων διεπαφών στον πραγματικό κόσμο, ώστε να είναι σε θέση ένα μέσο πρόγραμμα (δες SkyNet) να μπορεί να αλληλεπιδρά με το περιβάλλον μας. Σε αυτό το σημείο παρακαλούνται αυτοί που αναφωνούν τρομαγμένοι πως πρέπει να αποτρέψουμε με κάθε κόστος την υποταγή του ανθρώπινου είδους στις μηχανές μιας τεχνητής νοημοσύνης, να λάβουν υπόψιν τους πως η μόνη μεταβλητή εδώ είναι ο χρόνος. Στο πλαίσιο αυτής της προσπάθειας λοιπόν, ένα relay module είναι σχεδόν σίγουρο πως θα μας χρειαστεί. Relay Τα relays (ρελέδες) είναι ηλεκτρονικά ελεγχόμενοι διακόπτες. Συνήθως χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις όπου απαιτείται ο έλεγχος ενός κυκλώματος από ένα σήμα χαμηλής ισχύος. Για παράδειγμα ο έλεγχος του φωτισμού ενός χώρου από έναν μικρο-ελεγκτή. Χαρακτηριστικό των relays είναι πως η λειτουργία του ελέγχου πραγματοποιείται με πλήρη ηλεκτρική απομόνωση μεταξύ του συστήματος που πραγματοποιεί τον έλεγχο και του συστήματος που υποβάλλεται σε αυτόν. σχηματικό διάγραμμα ενός ηλεκτρομαγνητικού relay
Τα απλά ηλεκτρομαγνητικά relays περιέχουν ένα πηνίο γύρω από ένα μεταλλικό πυρήνα. Όταν το πηνίο διαρρέεται από ρεύμα, ο μεταλλικός πυρήνας αποκτά μαγνητικό πεδίο το οποίο έλκει ένα μεταλλικό μοχλό που κλείνει την σύνδεση δύο επαφών. Οπότε όσο το πηνίο διαρρέεται από ρεύμα, οι επαφές παραμένουν σε σύνδεση. Όταν το ρεύμα στο πηνίο διακοπεί, οι επαφές αποσυνδέονται. Τα κύρια χαρακτηριστικά ενός ηλεκτρομαγνητικού relay είναι τα εξής: η τάση πηνίου, δηλαδή η τάση που απαιτείται για να δημιουργηθεί το απαραίτητο ρεύμα στο πηνίο και να έρθουν σε σύνδεση οι επαφές το ρεύμα λειτουργίας του πηνίου, καθώς και η ισχύς που καταναλώνεται σε αυτό η δυνατότητα μεταγωγής των επαφών, δηλαδή το είδος του ρεύματος (συνεχές, εναλλασσόμενο, και τα δύο), η έντασή του σε κάθε περίπτωση, καθώς και τα αποδεκτά όρια τάσης JZC32-F 012-HS: relay με 12V πηνίο Παράδειγμα ενός απλού ηλεκτρομαγνητικού relay, είναι το JZC32-F 012-HS. Σύμφωνα με τις γραφές :-) (το datasheet), αυτό το relay διαθέτει 12V πηνίο με ωμική αντίσταση στα 320Ω +/- 10%. Η ισχύς που καταναλώνει το πηνίο σε αυτές τις συνθήκες είναι 0.45W. Το σύστημα της μεταγωγής μπορεί λειτουργήσει σε εναλλασσόμενες τάσεις έως και 250VAC, και σε συνεχείς έως και 30VDC, και σε εντάσεις ρεύματος έως και 5Α. Όπως αναφέρθηκε πιο πάνω τα relays, χρησιμοποιούνται συνήθως σε περιπτώσεις όπου απαιτείται ο έλεγχος ενός κυκλώματος από ένα σήμα χαμηλής ισχύος. Για παράδειγμα, με ένα μικρο-ελεγκτή, έστω ένα ATiny2313, και ένα relay με πηνίο στα 5V, θα μπορούσε κάποιος να ελέγχει την λειτουργία μιας λάμπας. Ο μικρο-ελεγκτής θα μπορούσε να διαβάζει σε μία από τις πόρτες του το σήμα από έναν IR-detector, και να ελέγχει ανάλογα με μία άλλη πόρτα το πηνίο του relay, και κατ' επέκταση την λάμπα. Ωστόσο η οδήγηση του πηνίου του ενός relay άμεσα με μία από τις πόρτες ενός μικρο-ελεγκτή δεν αποτελεί καλή πρακτική. Οι IO ακροδέκτες ενός μικρο-ελεγκτή, όσον αφορά την λειτουργία της εξόδου, δεν αποτελούν βρύσες ρεύματος. Υπάρχουν κυρίως για την παρουσία 0-1 σήματος με την μορφή υψηλού ή χαμηλού δυναμικού, και διαθέτουν περιορισμένες δυνατότητες παροχής ή καταβύθισης ρεύματος. Οπότε θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε κάποιον άλλο τρόπο για να οδηγήσουμε το πηνίο του relay.
BJT: Τρανζίστορ Διπολικής Επαφής Για να οδηγήσουμε το πηνίο του relay με ένα μικρο-ελεγκτή επιστρατεύουμε ένα BJT τρανζίστορ (Bipolar junction transistor).τα τρανζίστορ διπολικής επαφής είναι ημιαγωγικά στοιχεία τα οποία συνήθως χρησιμοποιούνται ως ενισχυτές ή ως διακόπτες. Η λειτουργίας ενός τρανζίστορ διπολικής επαφής καθορίζεται από τον ορισμό των τάσεων και των ρευμάτων στους ακροδέκτες του. Ένα BJT διαθέτει τρεις ακροδέκτες, την βάση (B), τον εκπομπό (E), και τον συλλέκτη (C). σχηματικό διάγραμμα NPN BJT transistor Σε ένα τρανζίστορ διπολικής επαφής διακρίνονται τέσσερις περιοχές λειτουργίας: η περιοχή της αποκοπής, στην οποία οι επαφές BE και BC είναι ανάστροφα πολωμένες και τα ρεύματα βάσης i B, και συλλέκτη i C είναι αμελητέα η ενεργός περιοχή, στην οποία το τρανζίστορ λειτουργεί ως γραμμικός ενισχυτής, και χαρακτηρίζεται από την ορθά πολωμένη επαφή BE και την ανάστροφα πολωμένη BC. η περιοχή κορεσμού, στην οποία οι δύο επαφές BE και BC είναι ορθά πολωμένες η περιοχή της κατάρρευσης, η οποία καθορίζει τα φυσικά όρια λειτουργίας του τρανζίστορ Γενικά ισχύει πως αν η παροχή τάσης στην βάση δεν επαρκή για να πολώσει ορθά την επαφή BE, τότε το τρανζίστορ βρίσκεται στην περιοχή της αποκοπής. Αν η επαφή VBE πολωθεί ορθά, το τρανζίστορ εισέρχεται στην ενεργό περιοχή. Η σημαντικότερη ιδιότητα ενός BJT είναι ότι το κατά πολύ μικρότερο ρεύμα της βάσης ελέγχει την ποσότητα ροής του κατά πολύ μεγαλύτερου ρεύματος προς τον συλλέκτη i C = β * ι B όπου β είναι ένας συντελεστής ενίσχυσης του ρεύματος και εξαρτάται από τις προδιαγραφές του τρανζίστορ. Το κέρδος ρεύματος του τρανζίστορ, β, έχει τυπικές τιμές από 20 έως 200 στην ενεργό περιοχή. Όταν το ρεύμα της βάσης γίνει ιδιαίτερα μεγάλο, η τάση V CE φτάνει στο όριο του κορεσμού (η τάση V CE πέφτει στο όριο της V CEsat και λαμβάνει τιμές συνήθως της τάξης των 0,2-0,3V) και το ρεύμα του συλλέκτη παύει να είναι ανάλογο προς το ρεύμα της βάσης. Τα ρεύματα i B και i C καθώς και η τάση V CE καθορίζουν ένα μοναδικό σημείο λειτουργίας.
Δίοδος Ωστόσο, λόγω της χρήσης του BJT τρανζίστορ στο κύκλωμα για την οδήγηση του relay, είναι σημαντικό να προσθέσουμε μία δίοδο παράλληλα με το πηνίο του relay. Αυτό είναι απαραίτητο διότι το πηνίο από την φύση του αντιστέκεται σε μεταβολές στο ρεύμα που το διαρρέει, και όταν για παράδειγμα θελήσουμε να διακόψουμε την ροή του ρεύματος μέσω του τρανζίστορ, το πηνίο στο relay θα αντιδράσει παράγοντας μία ξαφνική, ακμή τάσης στα άκρα του (kickback voltage), προκαλώντας την δημιουργία στιγμιαία έντασης αντίθετης φοράς, από αυτήν που μέχρι πριν λίγο το διέρρεε. Σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος Το τελικό σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος είναι το εξής: Η είσοδος αποτελείται από την τάση 5V, την γείωση, και τον ακροδέκτη ελέγχου του μικροελεγκτή. Η έξοδος αποτελείται από τους ακροδέκτες της γραμμής του συστήματος που επιθυμούμε να ελέγξουμε. Επίσης στο κύκλωμα προστέθηκε επιπλέον ένα led με την κατάλληλη αντίσταση (220Ω), το οποίο υποδεικνύει την κλειστή κατάσταση του relay. Υλοποίηση Για την υλοποίηση χρησιμοποιήθηκε το relay JZC32-F 005-HS, το οποίο διαθέτει 5V τάση πηνίου με ωμική αντίσταση στα 55Ω +/- 10%, ισχύ πηνίου στα 0.45W, και δυνατότητα μεταγωγής συνεχούς και εναλλασσόμενης τάσης της τάξεως των 30VDC και 250VAC αντίστοιχα, και μέγιστη ισχύ στα 5Α.
Το BJT τρανζίστορ που χρησιμοποιήθηκε είναι το STN2222, ένα NPN τύπου τρανζίστορ με μέγιστες τιμές τις V EB = 5V, V CB = 60V, V CE = 30V, και I C = 600mA. Η δίοδος που χρησιμοποιήθηκε είναι μία 1Ν4148. (!) Πρέπει να σημειωθεί πως η επιλογή των παραπάνω έγινε σύμφωνα με την διαχρονική αρχή σχεδιασμού που ακούει στο όνομα 'ότι έχω στο συρτάρι και με καλύπτει, και τυχόν παραβίασή της δεν συνεπάγεται το τέλος του κόσμου...ή μπορεί και όχι.