Gdy brak nam mocy, czyli tranzystory i przekaźniki

Gdy nauczymy się sterować pinami cyfrowymi, oraz potrafimy już podłączać elementy takie jak diody. Czy też przyciski, w końcu przyjdzie moment, kiedy będziemy chcieli sterować urządzeniami takimi jak telewizor, czy też lampa? Jak wiemy, stoją nam na przeszkodzie, możliwości naszego Arduino, które pracuje na logice 5V, a z jednego pinu jest w stanie podać maksymalnie 50mA.

Jest to wystarczające do zasilenia wyświetlacza, czy diod, ale w przypadku urządzenia zasilanego z sieci domowej jest to o wiele za mało. Do wysterowania elementów o większej mocy użyjemy przekaźników i tranzystorów, a więc do dzieła!

Przekaźnik, czyli  historia elektromagnesu, który został włącznikiem.
Czym jest przekaźnik? My skupimy się na przekaźnikach elektromagnetycznych i to właśnie o układach tego typu opowiem. Główne elementy, to wspomniany wcześniej elektromagnes, kotwica oraz ruchomy styk. Przy podaniu napięcia na elektromagnes, przyciąga on kotwicę. Ta porusza styk, który domyślnie zawiera pin pierwszy ze środkowym, a po poruszeniu przez kotwicę zawiera pin środkowy, z pinem drugim. Aby, działanie zobrazować zerkniemy na grafikę poniżej, na którym przedstawiona jest budowa przekaźnika.

Po zapoznaniu się z budową przekaźnika możemy przejść do części praktycznej. Choć najpierw omówimy kilka ważnych aspektów dotyczących pracy z tymi przełącznikami. Pierwszą z nich jest fakt, że stosując „goły” przekaźnik, powinniśmy go zabezpieczyć diodami prostowniczymi. Jak również innymi elementami, które zapobiegną uszkodzeniu naszego przekaźnika.
Na szczęście skorzystamy z przełącznika wbudowanego w moduł. Zdecydowanym plusem tego rozwiązania jest fakt, że nie musimy się o nic martwić. Jedyne co musimy podłączyć ze strony Arduino, to GND, 5V. Jak również dodatkowo pin, który będzie przekaźnik załączał za pomocą podania na pin sygnałowy stan wysoki.

Ze strony urządzenia, którym będziemy chcieli sterować, musimy podłączyć jedną stronę sekcji, którą będziemy sterować do pinu środkowego, a drugą, w zależności od tego jak ma działać przekaźnik do jednego z dwóch wejść. Gdy chcemy, aby po podaniu stanu wysokiego urządzenie się włączyło, musimy podłączyć je do złącza oznaczonego na grafice jako „Normally open”.

Warto też jeszcze przed rozpoczęciem pracy z przełącznikiem zapoznać się z opisem przekaźnika. Podłączenie do przekaźnika pracującego na logice 3.3V napięcia o wartości 5V może go uszkodzić, a tego oczywiście chcemy uniknąć.
Po zrozumieniu zasady działania przełącznika zbudujemy prosty układ, który załączać będzie silnik pracujący na napięciu 5V. Mimo tego, że silnik pracuje na napięciu, takim jak Arduino pobiera znacznie więcej prądu, niż możemy dostarczyć z pinu płytki. Celowo nie zastosowałem tutaj na przykład lampy pracującej na napięciu 230 V.
Ze względu na to jak niebezpieczny jest prąd podawany przez gniazdka w naszych domach. Jeżeli czujecie się na siłach, a w dodatku macie już doświadczenie przy pracy z większymi napięciami możecie śmiało podłączyć urządzenie zasilane z gniazdka. Warto pamiętać o zaizolowaniu styków na płytce przekaźnika.

Łatwo tu o kontakt z którymś ze styków, na których podawane jest wysokie napięcie! Kolejną sprawą jest fakt, że przekaźnik ma inaczej wyprowadzone piny, więc nie sugerujmy się w 100% grafiką poniżej. Jak wiemy, GND podłączmy do pinu o tej samej nazwie w Arduino, VCC do 5V w płytce, a pin
Sygnał do pinu w Arduino który przypiszemy do obsługi przełącznika, ja wykorzystałem pin 13. Układ, który zbudujemy, powinien wyglądać tak:

Z reguły dodawałem program, który określał działanie. Lecz tutaj, jak i w kolejnym przykładzie tego nie zrobię, ze względu na to, że przekaźnik działa jak zwykły włącznik i możemy zaprogramować go, jak tylko chcemy. Aby, sprawdzić działanie możemy wgrać przykład Blink, który co sekundę będzie włączał i wyłączał przekaźnik. Co za tym idzie urządzenie, którym steruje.
Pamiętajmy o tym, że przekaźnik zbudowany jest w większości z elementów mechanicznych, które nie działają aż tak szybko, jak możemy się spodziewać. Tworząc program, który będzie załączać przekaźnik, unikajmy zmiany stanów częściej niż dwa razy na sekundę. Tak, aby zachować jak najwyższą żywotność przełącznika.
Tranzystory, czyli układy, których używamy na co dzień, ale nie zdajemy sobie z tego sprawy.
Tranzystor jest najpopularniejszym elementem elektronicznym, ze względu na to, że chociażby mikro kontroler w naszej płytce z dziesiątek tysięcy tranzystorów. Widząc tranzystor zakupiony w sklepie elektronicznym, możemy się mocno zdziwić, ponieważ już kilka tranzystorów osiąga wielkość mikro kontrolera. Procesory zbudowane są z tranzystorów o niezwykle małych rozmiarach.
Często o budowie tak małej, że zakrawają one o budowę na bazie poszczególnych atomów. Tranzystory najczęściej nazywa się układami, które sterują przepływem prądu. Podobnie jak w przekaźniku za pomocą niskiego napięcia o małym natężeniu możemy sterować napięciami dużo wyższymi o dużo wyższym natężeniu, za pomocą tranzystora możemy także sygnał wzmacniać.
Tranzystory dzielą się na dwie główne kategorie, mianowicie tranzystory bipolarne oraz unipolarne znane jako tranzystory typu MOSFET. Tranzystory ze względu na budowę dzielimy na NPN i PNP. Tłumaczenie budowy każdego typu tranzystora mija się z celem. Gdyż my będziemy używać ich tylko i wyłącznie do włączania większych urządzeń, więc bardziej skupimy się na zastosowaniu praktycznym. Warto omówić teraz złącza tranzystora, my bazować będziemy na tranzystorze bipolarnym PNP BC560C.

Jak widzimy, tranzystor posiada trzy wyprowadzenia, czyli emiter, kolektor i bazę. Aby tranzystor mógł przewodzić prąd, bazę podłączmy do jednego z pinów naszej płytki, poprzez rezystor. Najczęściej używamy oporników o wartościach 4,7 kOhm oraz 10kOhm.  Wyjście emitera podłączymy do GND urządzenia, którym mamy zamiar sterować, a kolektor do masy naszego układu.
Pamiętajmy też, że zmieniając prąd bazy, zmieniamy również prąd kolektora. Dzięki czemu łatwo możemy wykorzystać tranzystory podczas pracy z PWM w naszym Arduino. Oczywiście chcemy utrwalić materiał, więc zbudujemy układ, który włączy nam ten sam silnik co w przykładzie z przekaźnikiem. Warto zwrócić uwagę na połączenie masy wszystkich źródeł zasilania, zachowamy wtedy dużo większą stabilność prądową. Układ powinien wyglądać tak:

Po zbudowaniu układu po raz kolejny powinniśmy przejść do napisania programu, jeśli chcemy, możemy śmiało wykorzystać kod z układu z przekaźnikiem.

Tranzystor, czy jednak przekaźnik?

Po przeczytaniu powyższego tekstu możemy zastanawiać się jakie rozwiązanie wybrać i jest to bardzo nieoczywiste pytanie. Tworząc w przyszłości projekt, zapewne nie raz będziemy zastanawiać się, czy wybrać tranzystor, czy przekaźnik. Niestety nie ma na to jednej uniwersalnej odpowiedzi. Za wyborem przekaźnika stoi zdecydowanie łatwość użytkowania. Jak również odporność na temperatury (w przypadku tranzystorów często musimy korzystać z radiatora, w celu schłodzenia układu).
Dodatkowo wyładowania elektrostatyczne, na które tranzystory są niezwykle wrażliwe. Kolejnymi zaletami przekaźników są, możliwość sterowania prądem płynącym w każdym kierunku. Nie ma tu także znaczenia, czy sterujemy masą, czy zasilaniem. Kupując jeden przekaźnik, możemy stosować go w wielu projektach, ze względu na jego uniwersalność.

Argumentami, które przemawiają za tranzystorami, są zdecydowanie cena oraz rozmiar całego układu. Dodatkowo jest wiele rodzajów tranzystorów na rynku i bez wątpienia znajdziemy układ spersonalizowany pod nasz projekt. Tranzystory mają też dużo wyższą żywotność, niż przekaźniki, ze względu na brak elementów mechanicznych.
Gdy wiemy już jak sterować urządzeniami o znacznie wyższym zapotrzebowaniu prądowym, czy napięciowym niż możemy uzyskać z Arduino, nic nie stoi na przeszkodzie, aby zbudować prosty włącznik czasowy, czy też kontroler oświetlenia na naszym ogrodzie. Jako zadanie domowe pomyślcie, do czego możemy użyć przekaźnika, lub tranzystor, tak aby ułatwił nam on życie codzienne.