Эксперимент 7. Включаем светодиоды с помощью реле

Вам понадобятся:

1. Сетевой адаптер, кусачки для проводов и инструмент для снятия изоляции.
2. Реле с двумя направлениями и двумя положениями пере­ключения (ДРОТ — double-pole double-throw), с самовозвра­том (без фиксации). Количество — 2 шт.
3. Светодиоды. Количество — 2 шт.
4. Резистор с сопротивлением около 680 Ом. Количество — 1 шт.
5. Кнопочный переключатель без фиксации, однополюсный однопозиционный. Количество — 1 шт.
6. Коммутационные провода.
7. Зажимы типа «крокодил». Количество — 8 шт.
8. Универсальный нож.

Следующим шагом в нашем исследовании концепции пере­ключения является использование переключателей с дистанци­онным управлением. Под термином «дистанционное управле­ние» я имею в виду переключатель, которому вы можете послать сигнал на включение или выключение. Этот тип переключателя известен как реле (от английского слово «relay» — передавать, транслировать). Это связано с тем, что реле передает некоторое управляющее воздействие из одной части цепи к другой. Часто реле управляется относительно низким напряжением или малы­ми токами, а вот переключает или иначе коммутирует оно до­вольно большие напряжения или токи.

Такая организация его работы может быть наиболее эконо­мичной. Когда вы запускаете ваш автомобиль, например, отно­сительно небольшой, дешевый переключатель посылает неболь­шой сигнал по относительно длинному, тонкому, недорогому ку­ску провода на реле, которое находится возле двигателя стартера. Реле запускает двигатель, используя короткий, толстый более дорогой провод, который в состоянии выдержать ток до 100 А.

Аналогичное происходит тогда, когда вы во время враще­ния стиральной машины с вертикальной загрузкой поднимаете ее крышку. При этом вы замыкаете маленький выключатель и по­сылаете небольшой сигнал по тонкому проводу на реле, которое в свою очередь выполняет более сложную задачу отключения боль­шого мотора, вращающего барабан, заполненный мокрой одеждой.

До начала этого эксперимента вам потребуется заменить ваш источник питания. Мы больше не собираемся применять бата­рейки, поскольку для использования реле требуется напряже­ние величиной более 6 В, и поэтому вы должны иметь источник питания, который будет в состоянии при необходимости выдать разные по величине напряжения. Самый простой способ реше­ния этой задачи — это использование сетевого адаптера.

Сначала вам надо подготовить сетевой адаптер. После того, как он будет нормально включен, вы сможете использовать его напряжение для подачи питания на реле. Изначально реле будет просто включать один из двух светодиодов, но затем мы моди­фицируем цепь, чтобы заставить светодиоды мигать автоматиче­ски. В конце концов, мы соберем схему на макетной плате и ска­жем «прощайте» зажимам типа «крокодил», по меньшей мере, в большинстве наших экспериментов.

Подготовка сетевого адаптера

Вилка сетевого адаптера вставляется в сетевую розетку и преобразует относительно высокое переменное напряжение вашей домашней электросети в безопасное низкое постоянное

напряжение, предназначенное для использования в электронных схемах. Любое зарядное устройство, которые вы используете для подзарядки сотового телефона, айпода (iPod) или ноутбука, по своей сути представляет собой сетевой адаптер, который пред­назначен для выдачи одного напряжения через специальный разъем. Я просил вас приобрести адаптер общего назначения, который выдает на выходе много различных значений напряже­ния, и сейчас мы должны начать с того, чтобы избавиться от его разъема.

1. Прежде всего, убедитесь, что ваш сетевой адаптер не под­ключен к сетевой розетке!
2. Отрежьте маленький разъем на конце его провода (рис. 1).
3. Используя монтажный нож, универсальный нож или ножни­цы, сделайте разрез между двумя проводами длиной около 13 мм, а затем разделите эти два провода примерно на 50 мм.
4. Используя кусачки для проводов, отрежьте провода так, что­бы один из них был короче другого. Это делается для того, чтобы сместить между собой концы проводов, с которых в дальнейшем будет снята изоляция. Эта предосторожность необходима для предотвращения короткого замыкания в выходной цепи вашего сетевого адаптера, что может приве­сти к его выходу из строя (перегоранию).
5. Удалите изоляцию с концов проводов, используя инструмент для снятия изоляции. Скрутите медный многожильный про­вод на концах двух проводов, захватив указательным и боль­шим пальцами их так, чтобы на концах оголенных жил не торчали отдельные проволочки (рис. 2).
6. Убедитесь, что два провода не касаются друг друга, а затем вставьте ваш сетевой адаптер в сетевую розетку. Затем на мультиметре выберите режим измерения постоянного на­пряжения и коснитесь измерительными щупами концов про­водов адаптера. Если на дисплее прибора будет отображаться напряжение со знаком минус, то вы подключили пробники к проводам в неправильной полярности. Нужно поменять их местами и знак минус на дисплее должен пропасть. Это под­скажет вам, какой из этих двух выходных проводов является положительным.

Рис.1. Подготовка сетевого адапте­ра. Сначала надо отрезать низковольт­ный выходной разъем и отправить его в мусорную корзину

Рис.2. Затем, чтобы уменьшить риск соприкосновения оголенных частей проводов, нужно обрезать и зачистить провода, сделав один из них короче другого. Чтобы впредь было легче ори­ентироваться в проводах, один из них, на котором имеется положительное вы­ходное напряжение, пометьте красным маркером

Пометьте положительный провод адаптера. Если провод имеет изоляцию белого цвета, вы можете пометить его крас­ным маркером. Если же изоляция черного цвета, то вы мо­жете пометить его белым цветом. Положительный провод будет оставаться положительным вне зависимости от того, каким образом вы вставили адаптер в сетевую розетку.

Реле

То реле, которое я хочу использовать, имеет небольшие заостренные выводы внизу при однозначном их расположении между собой. Если же вы приобретете реле другого типа, то вам придется самому определить, какие выводы внутри корпуса реле подключены к катушке, а какие выводы являются полюсами внутреннего переключателя. Кроме того, нужно будет выяснить какие выводы переключателя являются нормально замкнутыми, а какие нормально разомкнутыми. Вы, конечно, можете без проблем решить эту задачу с помощью справочного листа технических данных на ваше реле, но я настоятельно рекомендую использовать одно из тех реле, которые приведены в списке закупок, чтобы вам было проще следовать дальнейшим инструкциям.
Я просил вас купить именно два реле с тем расчетом, чтобы вы могли использовать их для исследовательских целей. Это значит, что одно из них можно будет разобрать и посмотреть его внутреннее устройство (рис. 3). Если вы сделаете все очень аккуратно, то реле после сборки можно будет еще использовать. Если нет, ничего страшного, у вас есть еще одно в запасе.

Рис.3. Один из вариантов внутреннего расположения элементов реле. Катушка с обмоткой «A» создает магнитное поле, которое притягивает якорь «B» к сердечнику электромагнита. Пластмассовый толкатель «C», соединенный с якорем, выталкивает наружу упругие металлические полоски с закрепленными на них контактами и перемещает полюса «D» переключателя реле, соединяя их с нормально разомкнутыми контактами.

Самый простой способ вскрыть реле это использовать монтажный или универсальный нож. На рис. 4, 5 и 6 показана последовательность вскрытия. Сначала срежьте края пластмассового корпуса, в котором находятся все элементы реле, делая скосы до тех пор, пока вы не увидите узкий просвет толщиной примерно с человеческий волос. Поскольку все внутренние элементы реле расположены очень близко к стенкам корпуса, то далее продолжать не нужно и на этом следует остановиться. После этого надо вскрыть верх корпуса. Чтобы удалить оставшуюся его часть, можно воспользоваться остроносыми плоскогубцами.

Рис.4. Чтобы посмотреть внутреннее устройство реле, нужно срезать края пластмассового корпуса до тех пор, пока не появится узкий просветРис.5. Вставьте лезвие ножа в узкий просвет и, пользуясь ножом, как рычагом, отделите верхнюю часть корпуса, затем повторите эту процедуру для боковых сторон Рис.6. Если вы будете очень осторожны, то после того как вы вскроете реле, оно может остаться в рабочем состоянии

Не торопитесь и старайтесь делать все очень аккуратно (рис. 7).

Рис.7. При вскрытии корпуса реле очень важно не торопиться и выполнять все очень аккуратно. Более быстрые методы, такие как использование томагавка (а) или огнемета (б), как показано на этом рисунке, с эмоциональной точки зрения очень выигрышны и не требуют длительной концентрации внимания, но результаты могут оказаться непредсказуемыми.

После вскрытия корпуса реле оно может выглядеть так, как это показано на рис. 6 и 8.

Рис.8. Четыре различных реле на рабочее напряжение 12 В для наглядности показаны в корпусах и без них. Автомобильное реле (крайнее левое) самое простое из них и его принцип работы легко понять, поскольку оно спроектировано без особого стремления сделать все максимально компактно. Миниатюрные реле небольшого размера сконструированы с высокой степенью изобретательности, они имеют более сложную конструкцию, которую не так-то просто понять. Обычно, но не всегда, реле небольшого размера спроектированы соответственно для меньших значений тока, чем большие.

Прежде чем на реле подать напряжение питания, надо, прежде всего, понять, как оно работает.

Фундаментальные сведения

Внутри реле Реле состоит из катушки с обмоткой, выполненной изоли­рованным проводом. Внутри катушки расположен сердечник. Когда электрический ток проходит по обмотке, то в сердечнике создается магнитное поле, которое притягивает якорь, соеди­ненный с толкателем из непроводящего материала. Толкатель в свою очередь выталкивает или втягивает гибкие пружинистые полоски металла с размещенными на них контактами, замыкая два из них. Контакты остаются замкнутыми до тех пор, пока электрический ток протекает по обмотке, а реле находится под напряжением. Когда же электрического тока в обмотке реле не будет, то ме­таллические пластинки с контактами возвращаются в свое исхо­дное положение, размыкая контакты. (Исключение составляют реле с фиксацией (самоудерживанием), которые требуют допол­нительного импульса, проходящего через отдельную обмотку для того, чтобы вернуть реле обратно в исходное положение; но мы пока такие реле использовать не собираемся). Реле с точки зрения коммутирования могут быть разделе­ны на аналогичные типы, что и переключатели. Таким образом, имеются однополюсные однопозиционные реле (SPST), двухпо­люсные однопозиционные (DPST), однополюсные двухпозици-онные (SPDT) и т. д. Посмотрите на условное графическое обозначение реле, пред­ставленных на рис. 9. Контакты реле показаны в своем исходном положении, ко­гда по обмотке не протекает ток срабатывания. Рис.9. Различные виды условных графических обозначений реле на схемах. Верхнее слева реле — однополюсное однопозици-онное (SPST). Верхнее справа и нижнее слева реле — однополюсные двухпозиционные (SPDT). Нижнее справа реле — двухполюсное двухпозиционное (DPDT ). Контакты на графических условных обозначениях реле по­казаны в виде маленьких черных треугольников. Когда у реле имеется два полюса, то электромагнит управляет их одновре­менным подключением к соответствующим контактам. Большинство реле являются неполяризованными, что озна­чает, что по их обмоткам вы можете пропускать ток в любом на­правлении и это никак не повлияет на работу реле. Чтобы узнать наверняка, какого типа то или иное реле, вы можете обратить­ся к листу технических данных. Некоторые обмотки реле могут работать от переменного напряжения, но большинство реле малого напряжения используют постоянный ток, аналогичный тому, который можно получить от батарейки. В примерах мы будем применять только реле постоянного тока. На реле накладываются те же самые ограничения, что и на переключатели. Их контакты также будут портиться из-за ис­крения, если вы будете пытаться с их помощью осуществлять коммутацию слишком большого напряжения. Не стоит эконо­мить деньги, используя реле, которое предназначено для ком­мутирования меньшего тока или напряжения, чем это требует­ся. Реле может подвести вас в тот момент, когда оно вам боль­ше всего необходимо, и будет крайне сложно осуществить его замену. Поскольку существует такое огромное количество реле раз­личных типов, то нужно очень внимательно читать технические характеристики перед тем, как приобретать их. Надо обязатель­но обратить внимание на такие основные характеристики, как: номинальное напряжение обмотки или иначе рабочее напряжение Напряжение, которое предполагается подавать на реле, что­бы заставить его сработать. минимальное напряжение срабатывания Минимальное напряжение, которое требуется, чтобы срабо­тало реле, т. е. замкнуло контакты реле. Это напряжение будет несколько меньше напряжения, чем идеальное значение на­пряжения на обмотке реле. номинальный рабочий ток Когда через обмотку реле проходит ток, то обычно он со­ставляет несколько миллиампер. Иногда мощность реле выра­жается в милливаттах. Коммутируемый ток и напряжение Максимальные значения тока и напряжения, которые с по­мощью контактов могут коммутировать реле. Обычно в качестве нагрузки имеется в виду «резистивная нагрузка», что означает некое пассивное устройство типа обычной лампочки накалива­ния. Когда же вы используете реле для включения, например, двигателя, надо учитывать, что в момент разгона двигателя в цепи будет присутствовать мощный импульс тока. В этом случае вы должны выбирать реле, рассчитанное на двойное значение тока, по сравнению тем током, который потребляет двигатель, когда он уже вращается.

Порядок действий

Поверните реле таким образом, чтобы его выводы были направлены вверх, и присоедините к ним провода и светодиоды так, как это показано на рис. 10, с резистором 680Ω (резистор на 1K также можно использовать, если у вас нет сопротивления именно такого номинала). Также следует присоединить кнопочный переключатель. (Ваш кнопочный переключатель может отличаться от того, который показан, но если это кнопочный переключатель типа SPST с двумя контактами внизу, то он будет работать таким же образом.) Когда вы нажимаете кнопку, реле будет заставлять гаснуть первый светодиод и включать второй. Когда вы отпустите кнопку, первый светодиод загорится, а второй погаснет.

Рис.10. Вместо некоторых соединений, выполненных проводами, которое показаны на этом рисунке, вы, как и раньше, можете использовать коммутационные провода с зажимами типа «крокодил», если они у вас, конечно, есть
Рис.11. Одна из схем, выполненная с использованием условных графических обозначений

Как это работает

Следует собрать цепь, показанную на рис. 10, и сравнить ее с электрической схемой на рис. 11.

Обратитесь также к рис. 12–13 на которых показано расположение выводов реле и контакты, замыкаемые внутри реле, когда через катушку пропускается электрический ток и когда этот ток отключен.

Рис.12. Расположение выводов реле, нанесенных на сетку с шагом 1/10» (2,54 мм). Это именно тот тип реле, который вам потребуется для выполнения эксперимента 8Рис.13. На рисунке показаны выводы, замкнутые при подаче рабочего напряжения на обмотку реле (справа) и когда напряжение не подано (слева)

Это двухполюсное двухпозиционное реле (DPDT), но мы используем только один полюс, игнорируя другой. Почему же нам тогда было не купить однополюсное двухпозиционное реле (SPDT)? Потому что я хочу, чтобы контакты реле были расположены именно таким образом, чтобы в дальнейшем было проще осуществить перенос данной цепи на макетную плату, что случится очень и очень скоро.
На графическом представлении схемы (см. рис. 11) я показал переключаемые контакты реле в состоянии, когда напряжение на обмотку реле не подано. Если же напряжение подать, то полюс реле замкнется с верхним контактом, что выглядит немного противоестественно, но часто это бывает именно так, потому что реле изготовлено именно таким образом.
Итак, когда вы будете уверены, что понимаете, как работает эта схема, наступит время перехода к следующему шагу, а именно выполнению небольшой модификации схемы в эксперименте 8, чтобы получить реле, которое должно само по себе включаться и выключаться.