任务51继电器

5.1电磁继电器的原理及控制-1-5.1电磁继电器的原理及控制5.1.1任务要求继电器在自动化产品中有着广泛的应用，其实际是用低电压、弱电流控制高电压、强电流电路。继电器种类繁多，本节内容以电磁继电器为主，讲述电磁继电器特点和51单片机控制继电器电路。本节内容是：用开发板上的一个独立按键代替工业开关，按键长按1S，继电器吸合，再次长按1S，继电器释放。5.1.2知识准备1、继电器构造和工作原理电磁继电器的构造如图5.1.1（a）所示，A是电磁铁，B是衔铁，C是弹簧，D是动触点，E是静触点。电磁继电器工作电路可分为低压控制电路和高压工作电路组成。控制电路是由电磁铁A、衔铁B、低压电源E1和开关Ｓ组成。开关Ｓ闭合，由多圈漆包线绕成的电磁铁A（简称为线圈）得电，衔铁B被电磁铁A吸下来，动触点D同时与两个静触点E接触，使D、E间连通，工作电路中的灯泡点亮。开关Ｓ断开，电磁铁失去磁性，对衔铁无吸引力。衔铁在弹簧的拉力作用下回到原来的位置，动触点与静触点分开，工作电路被切断，小灯泡L不发光。图5.1.1（b）是欧姆龙继电器（型号为G2R-2-12V），这种继电器外观是透明的，我们可以看到继电器内部的线圈和金黄色的触点。（a）电磁继电器工作原理图（b）欧姆龙继电器外观5.1.1电磁继电器5.1电磁继电器的原理及控制-2-2、电磁继电器参数我们的开发板上的继电器正面和背面如图5.1.2所示。图5.1.3开发板继电器正面和反面图继电器的背面共有5个引脚，其中引脚A和引脚B是继电器线圈控制端，引脚C、D和E是继电器的触点引出端。其中触点C是公共端，当线圈不得电时，触点C和触点E连通，称为常闭触点（NC），触点C和触点D断开，称为常开触点（NO）。当线圈得电后，触点C和触点E断开，和触点D连通，这种方式称为“单刀双掷”。另外还有“双刀双掷”等其他的形式。继电器的正面是继电器厂家提供的一些简单的信息。其中“10A250VAC”、“10A30VDC”等提供的是继电器触点容量，“SRD-05VDC-SL-C”提供了继电器的型号为SRD，属于微型功率继电器。线圈电压为直流5V，SL表示密封，C表示接触形式。在产品设计当中继电器选型时，首先应该了解被控制回路中用电器的额定电压、额定电流、触点形式等参数，其次了控制回路能提供的电压和电流，然后根据厂家提供的资料合理的选型（选择触点容量时要留有余量）。表5.1.1是松乐继电器厂家提供的SRD型号的继电器的参数。表5.1.1松乐继电器SRD型号参数表线圈参数触点容量标称电压（V）标称电流（mA）线圈阻抗()消耗功率(W)吸合电压（V）释放电压（V）最大电压(V)FORMAFORMC589.3550.45标称电压75%标称电压10%标称电压110%10A250VAC10A30VDC10A125VAC10A20VDC9501801237.53202418.71280481045005.1电磁继电器的原理及控制-3-下面就表5.1.1的参数做一下简单说明：（1）线圈参数标称电压指的是线圈工作时的额定电压，SRD型号的有3V、5V、6V、9V、12V、24V和48V（表中省略了3V和6V的等级）。尽管电压等级不一样，但SRD系列的继电器的消耗功率都是一样的（0.35W），所以不同电压等级的线圈阻抗也就不一样了。电压等级越高，对应的线圈阻抗就越高，施加额定电压后流过线圈的电流就越低。吸合电压指的是继电器能够产生吸合动作，在线圈上施加的电压，SRD系列吸合电压最大不超过标称电压的75%。释放电压是的继电器从吸合状态到释放状态，线圈上施加的电压，SRD系列最小释放电压为额定电压的10%。另外施加在继电器上的电压最大值不允许超过标称电压的1.1倍。（2）触点容量SRD系列的触点容量分两种制式：FORMA和RORMC，原因在于世界上不同国家，交流电的额定电压不一样，我们国家是220V，但有的国家是110V，所以继电器的触点交流容量也有两种不同的表示方式，“10A250VAC”是交流为220V时继电器触点容量，“10A125AC”是交流电位110V时继电器触点容量。继电器控制直流电，额定电流仍然为10A，但额定电流压30V（FORMA制式）。为什么控制直流电的电压比控制交流电的电压低很多呢？交流电是不断变化的，有过零点，而直流电一直是恒定的，所以触点控制交流电的电压远高于直流电。3、开发板继电器控制电路开发板上继电器控制电路如图5.1.3所示。5.1.3开发板继电器控制电路5.1.4错误的继电器控制电路5.1电磁继电器的原理及控制-4-用单片机控制继电器动作，其实质是通过I/O口控制继电器线圈是否通电。开发板上的继电器线圈额定电压5V，额定电流89.3mA。将近100mA的线圈电流，I/O口肯定无法直接驱动。图5.1.3中，用PNP三极管作为中间功率放大器件。继电器线圈接在三极管的集电极上，I/O口与三极管的基极相连。I/O口为高电平时，PNP三极管基极无电流，集电极也没没有电流，三极管CE之间等同于开关断开，继电器线圈不得电；I/O口为低电平时，PNP三极管基极得到电流，三极管饱和导通，CE之间等同于开关闭合，继电器线圈得到电源电压VCC。对于本电路，有一下几点需要说明：（1）51单片机I/O驱动5V继电器采用PNP三极管很合适。单片机上电后，I/O初始状态为高电平，三极管不导通，继电器也不会动作。继电器要动作，I/O口为低电平，电流流入I/O口（灌电流），灌电流比较大，选择合适的限流电阻（R1），可以让三极管导通后处于饱和状态。（2）电阻R1是基极限流电阻，其阻值大小由负载电流和三极管放大倍数来决定。以本电路为例：负载电流89.3mA，8550三极管的datasheet给出直流放大倍数为85～300之间，按比较差的情况，取值100，则IB=89.3mA/100=0.89mA，IB取值1mA,电阻R1=（5V-0.7V）/1mA=4.3K，电路中R1为4.7K。电阻R2是上拉电阻。51单片机内部I/O口有上拉电阻，R2不加也没有问题。但其它类型的单片机（如AVR单片机），上电后I/O口是高阻状态，为了确保系统上电后继电器不动作，I/O需加上拉，R2取值10K。（3）继电器线圈是感性器件，三极管从导通到截止状态时，线圈上会产生一个瞬间的反电势，在线圈两端并接一个反向二极管D1，其用途是钳制反电势，防止三极管和I/O口被反电势击穿，提高系统的可靠性，二极管型号为IN4007。（4）51单片机+PNP三极管的模式只合适驱动5V的继电器，不能驱动线圈额定电压高于5V的继电器。假设继电器额定电压为12V,线圈电压也为12V，不管I/O是高电平（5V），还是低电平,PNP三极管都会导通。（5）不管是NPN三级挂还是PNP三极管在驱动开关负载时，不要把负载接在发射极上，图5.1.4是继电器线圈接在发射极的电路图。负载接在发射极上，三极管不能饱和导通，负载也得不到额定电压，尽管有时候看上去能工作，但不是稳定状态。4、工业产品中光耦驱动继电器光耦+NPN三极管驱动继电器是工业产品中继电器驱动经常用到的方式。我们先来了解一下光耦的特点。（1）光耦的简单介绍5.1电磁继电器的原理及控制-5-以图5.1.5的电路来介绍光耦的参数。输入信号VIN施加在原边的发光二极管和限流电阻R1上，产生光耦的输入电流IF。IF驱动发光二级管，使副边的光敏三极管导通，电流IC流过副边电阻RL，并在RL上产生压降VOUT。原边和副边之间的联系是电流传输比（CTR），IC=IF×CTR。TLP521光耦的CTR最小值为50%。简单来讲，即副边电流IC在饱和之前，其大小由原边的IF来决定，对于TLP521来讲，IF=2mA，则IC=1mA。光电隔离器或光电耦合器，简称光耦，它是以光为媒介来传输电信号的器件。通常把发光器（红外发光二极管）与受光器（光敏三极管）封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电—光—电”转换。由于它具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，单向传输信号等优点，在电路中获得广泛的应用。（2）TLP521光耦的外观和内部等效图图5.1.4TLP521三种封装和内部等效图东芝的TLP521系列光耦的直插封装有3种：TLP521-1内部只有1个光耦，TLP521-2内部有2个独立的光耦，TLP521-4内部有4个独立的光耦。以TLP521-1为例，1引脚和2引脚分别是原边红外发光二极管的阳极和阴极，3引脚和4引脚是副边光敏三极管的发射极和集电极。（3）光耦的工作原理和几个重要的参数图5.1.5光耦电路TLP521的原边发光二极管导通压降在1.1V～1.3V之间（后面的设计以1.3V为准），当Vin小于二极管导通压降时，IF=0,则IC=0，VOUT=0，这段区域成为光耦的截止区。当随着VIN的提高，IF增大，IC跟着增大，VOUT=IC×RL也跟着增大，这段区域为光耦的线性区，IC跟IF成比例。5.1电磁继电器的原理及控制-6-随着IC的增大，当RL上的电压VOUT=VCC时（实际上达不到VCC，光敏三极管饱和后压降约为0.4V），IC不再跟随IF增大，这时光耦进入了饱和区了。看到这里初学者可以会提出这样的问题，这不是跟三极管很相似吗？是的，我们的确可以把光耦的这一特性类比于三极管。表5.1.2是从TLP521的官方手册中截取的推荐工作条件,其中副边电源不超过24V，原边电流不超过25mA，副边电流不超过10mA。表5.1.2TLP521推荐工作条件在了解了光耦的原理和参数之后，图5.1.6是本文要介绍的光耦+NPN三极管驱动12V继电器电路。图5.1.6光耦+NPN驱动12V继电器电路系统上电后，单片机I/O为高电平（或高阻），光耦原边没有电流，光耦的副边处于截止状态，NPN三极管Q1的基极也没有电流，处于截止状态，继电器不动作。当I/O口为低电平时，选择合适的原边限流电阻R1，让光耦副边饱和导通，三极管基极得到足够的电流，让三极管处于饱和导通状态，继电器动作。12V松乐继电器（SRD系列），线圈的额定电流是37.5mA,8050三极管直流放大倍数（β）取值100，则三极管临界饱和时基极电流=37.5mA/100=0.375mA，在这里取值1mA。TLP521的副边饱和压降大约在0.4V左右，所以R2=（12V-0.4-0.7)/1mA=10.9K,电路中取值5.1K。5.1电磁继电器的原理及控制-7-TLP521的CRT取值50%，则TLP521的原边电流=2mA，R1=（5V-1.3V）/2mA=1.85K,电路中取值1K。5.1.3任务实施：略5.1.4本节总结