Mikrocontroller-Schnittstellen: Elektromagnete und Solenoide

Von links nach rechts: Zugmagnet, Druckmagnet, Miniatur-DPDT-Relais.

Einleitung

Dieser Beitrag gehört zu einer Artikelserie über die Grundlagen des Anschlusses von Peripheriekomponenten an ein Mikrocontroller (MCU)-basiertes System. Nun zu einigen Geräten, die Ihre MCU beschädigen können, wenn sie ohne eine geeignete Schnittstelle angeschlossen werden: diejenigen, die eine induktive Komponente enthalten, insbesondere eine Spule aus fest gewickeltem isoliertem Kupferdraht. Zu dieser Kategorie gehören Elektromagnete, Solenoide, Relais und Gleichstrommotoren. Letztere werden in einem separaten Artikel behandelt, ebenso wie die RC-Servomotoren, die keine induktive Last darstellen.

Sind magnetische Geräte wie Relais und Magnetspulen nicht veraltet und durch Halbleiterrelais (SSR) bzw. RC-Servos ersetzt worden? Es stimmt, dass sie ihren Ursprung im^19. Jahrhundert haben, aber sie werden immer noch dort eingesetzt, wo eine große lineare Kraft aufgebracht werden muss (Elektromagnete, Solenoide) oder wo lebensbedrohliche Spannungen sichtbar isoliert werden müssen, z. B. 240-Vac-Netze (Relais). Polarisierte Relais haben sich weltweit in Eisenbahnsignalanlagen (in vielen Bereichen auch heute noch) und in der telegrafischen Kommunikation bewährt.

Einige Definitionen

Elektromagnet: Eine Spule, die eng um einen Eisen-/Laminatkern gewickelt ist. Wenn ein Strom durch die Wicklung fließt, verwandelt sich der Kern in einen Magneten mit einem Nordpol an einem Ende und einem Südpol am anderen. Schaltet man den Strom ab, so verschwindet der Magnetismus. Die magnetische "Anziehungskraft" an beiden Enden ist relativ gering und wirkt nur über eine kurze Strecke, aber sie kann genutzt werden, um das Ende eines schwenkbaren Stahlhebels anzuziehen und damit vielleicht einen komplexen Mechanismus auszulösen.

Magnetspule: Er ist dem Elektromagneten sehr ähnlich, mit dem Unterschied, dass der Kern nicht fest in der Spule sitzt, sondern ein- und ausfahrbar ist und als Anker bezeichnet wird. Wenn die Spule erregt wird, zieht der entstehende magnetische Fluss den Anker an und zentriert ihn in der Spule. Er wird dort gehalten, solange die Magnetspule eingeschaltet ist, und er bewegt sich nicht, wenn der Strom abgeschaltet wird, ohne dass eine äußere Kraft, z. B. die einer zusammengedrückten Rückstellfeder, wirkt. Es gibt zwei Grundtypen: Zugmagnete (Abb.1) und Druckmagnete (Abb.2).

Relais: Ein elektrisch betriebener Schalter. Ein Elektromagnet zieht einen schwenkbaren Anker an, an dem der bewegliche Kontakt (Pol) eines Schalters befestigt ist. Die kleine Bewegung reicht aus, um den Polkontakt von einem festen Kontakt auf den anderen zu übertragen (Abb. 3). Der Schalter kippt dank einer Rückstellfeder zurück, wenn der Magnet ausgeschaltet wird.

Der Vollständigkeit halber habe ich auch ein polarisiertes Relais (Abb.5) eingefügt, da es einen dritten Zustand haben kann: Aus, und der Elektromagnet muss erregt werden, um einen der beiden Kontakte zu schließen.

Der "Zug"-Magnet

Technisch gesehen gehören alle Magnete zu den Zugmagneten. Wenn ein Strom durch die Spule fließt, und zwar in beide Richtungen, ist das Ergebnis dasselbe: Ein teilweise eingefügter Ankerkern wird durch den magnetischen Fluss angezogen und zentriert. Ein Ende des Kerns ist der Nordpol, das andere der Südpol, genau wie bei einem Elektromagneten.

Das hier gezeigte Beispiel verfügt über einen einschraubbaren Kunststoffhaken und eine eingebaute Rückstellfeder, die den Anker beim Abschalten des Stroms wieder herausdrückt.

Der "Push"-Magnet

Stecken Sie eine Schubstange in das andere Ende des Ankers und Sie haben einen Magneten mit Zug- und Druckfunktion (Abb. 2). Dieses spezielle Gerät hat keine Rückstellfeder, so dass die "Last" die Stange in diesem Fall zurückschieben muss. Beachten Sie, dass diese beiden Magnete auf unterschiedliche Weise befestigt werden: Der "Pull"-Magnet hat zwei M3-Gewindebohrungen in seinem äußeren Rahmen, während der "Push"-Magnet durch eine Bohrung im Chassis des Zielgeräts passt und mit einer einzigen Mutter befestigt wird.

Das Relais

Das einfache elektromagnetische Relais (Abb. 3) wird nach wie vor in großer Zahl zum Schalten hoher Spannungen und Ströme verwendet und bietet die Sicherheit einer "Luftspalt"-Isolierung. Das hier gezeigte DPDT-Beispiel ist nur 3,5 cm hoch und kann dennoch eine Netzspannung von 240 V AC und einen Strom von 10 A schalten.

Wenn das Gerät nur als Ein/Aus-Schalter verwendet wird und der Öffnerkontakt ignoriert wird, ist es von Natur aus "ausfallsicher", da ein Verlust der Spulenspannung es der Feder ermöglicht, den Lastanschluss zu öffnen. Werden hingegen beide Kontakte in einer Umschaltkonfiguration verwendet, kann ein Ausfall schwerwiegende Folgen haben.

Mikrocontroller-Schnittstelle für Magnetspule und Relais

Eine typische Schaltung zur Ansteuerung dieser einfachen unipolaren Geräte ist in Abb.4 dargestellt. Dieses besondere Beispiel wurde entwickelt, um einen starken Elektromagneten in einem alten Lochstreifenleser-Restaurierungsprojekt von mir anzusteuern. Der BD677-Transistor isoliert den empfindlichen GPIO-Ausgang der MCU und fungiert als elektronischer Schalter, der den Elektromagneten ein- und ausschaltet. Es handelt sich allerdings nicht um einen einzelnen NPN-Bipolartransistor (BJT), sondern um zwei in einer Darlington-Konfiguration in einem Gehäuse. Doch zunächst wollen wir uns ansehen, wie diese Schaltung an die oben beschriebenen Push-, Pull- und Relais-Vorrichtungen angepasst wird.

Die wichtigsten Designüberlegungen sind:

• Legen Sie die Versorgungsspannung fest. Verwenden Sie nicht die Versorgungsschienen der Logik- oder Analogschaltungen - die relativ großen Schaltströme können eine MCU oder einen Sensorverstärker aus dem Gleichgewicht bringen. Bei den drei Geräten in diesem Artikel sind die Spannungswerte anstelle von Impedanz und Strom angegeben. Sie müssen aber den Strom kennen, um einen geeigneten Transistor auszuwählen. Ich verwende einfach ein Multimeter, um den Widerstand abzulesen und dann den Strom aus I = V/R zu berechnen.
• Wählen Sie einen Transistor, der die Versorgungsspannung plus mindestens 50 % Spielraum verträgt. Vergewissern Sie sich, dass seine maximale Stromstärke mindestens doppelt so hoch ist wie die erforderliche.
• Bestimmen Sie, ob der Strombegrenzungswiderstand R1 erforderlich ist. Dies kann wichtig sein, wenn die Zeitkonstante durch Erhöhung der Versorgungsspannung verringert werden muss (siehe später).

Schnittstelle für den Zugmagneten

Der Magnet ist mit "+5Vdc" gekennzeichnet, und das Multimeter zeigt einen Widerstand von etwa 55Ω an, was einen maximalen Dauerstrom von 90mA ergibt. Wenn wir die Nennspannung anlegen, ist kein Strombegrenzungswiderstand R1 erforderlich. Da der Strom so niedrig ist, ist auch kein 4-A-Transistor erforderlich! Stattdessen ist mein Favorit für diese Art von Situation der BC639 im TO92-Gehäuse: ein NPN-Transistor mit 80V @ 1A.

Schnittstelle für Druckmagneten

Dies ist ein +12Vdc-Magnet, aber mit dem gleichen Widerstand wie der Pull-Typ. Dadurch ergibt sich ein maximaler Strom von 220 mA, was immer noch im Bereich eines BC639 liegt. Auch hier ist kein R1 erforderlich.

Relais-Schnittstelle

Das Miniaturrelais ist ebenfalls als +12Vdc gekennzeichnet, hat aber einen gemessenen Spulenwiderstand von 155Ω und nimmt daher nur 75mA Strom auf. Auch hier kann der BC639 damit umgehen, und R1 wird auch hier nicht benötigt.

Das Polarisationsrelais

Dieser Relaistyp (Abb. 5) bietet eine selbsthaltende Umschaltung, so dass die Schalterstellung bei einem Ausfall der Stromversorgung unverändert bleibt. Ein gutes Sicherheitsmerkmal. Das Diagramm soll verdeutlichen, wie dies erreicht wird:

• Ein Dauermagnet hält den Drehanker in einer von zwei Stellungen.
• Das Relais ändert seinen Zustand, wenn ein Strom durch die Spulen fließt, der einen elektromagnetischen Fluss erzeugt und an beiden Enden des Ankers einen Nord- und einen Südpol aufbaut.
• Wenn der Dauermagnet Nord dann den Anker Nord berührt, stoßen sie sich gegenseitig ab und der Anker dreht sich auf die andere Seite.
• Durch Umkehrung des Spulenstroms werden die N-S-Pole des gedrehten Elektromagneten vertauscht und dieser dreht sich zurück.

Um diese Stromumkehrtechnik anwenden zu können, verfügt die Treiberschaltung über zwei Transistoren, die in einer "Brücke" angeordnet sind (Abb.6). Diese spezielle Schaltung wurde entwickelt, um den polarisierten Magneten in einem Fernschreib-Schnittstellenprojekt aus den 1960er Jahren anzutreiben. Heute verwendet der Fernschreiber einen mittig vorgespannten Anker, wobei zwei Federn den Anker mittig zwischen den Kontakten halten. Mit anderen Worten, sie sorgen für eine dritte "Mitte-aus"-Position, wenn die Spulen nicht erregt sind. Der Zweck dieser Federn bestand darin, die Empfindlichkeit des Magneten zu verbessern, wenn er direkt von der ±80-V-Telegrafenleitung angetrieben wurde. Offensichtlich ist diese zusätzliche Empfindlichkeit für schwache Signale auf einer (vielleicht kilometerlangen) Kommunikationsleitung dank der Schnittstelle jetzt nicht mehr erforderlich. Ich sollte auch erwähnen, dass die Magnetvorrichtung im Fernschreiber keine elektrischen Kontakte hat. Es handelt sich nicht um ein elektrisches Relais: wie bei einer Magnetspule kommt es auf die mechanische Bewegung an. Ich werde es trotzdem weiterhin als Relais bezeichnen, weil das Fehlen von Kontakten keinen Einfluss auf die Gestaltung der Schnittstelle hat.

Polarisierte Relaisschnittstelle

Die Brückenschaltung der Darlington-Transistoren TR1 und TR2 (Abb.6) wird von TR3 gesteuert. Wenn der GPIO-Ausgang High (logisch 1) ist, ist TR3 vollständig eingeschaltet, wodurch TR1 vollständig eingeschaltet und TR2 ausgeschaltet wird. Der Strom fließt von rechts nach links durch die Magnetspulen. Eine logische 0 auf der GPIO-Leitung kehrt alle Transistorzustände um und der Spulenstrom fließt von links nach rechts. Eine offensichtliche Frage ist: Warum nicht die 80-V-Versorgung und damit die Werte der Widerstände R1 und R2 reduzieren? Um diese Frage zu beantworten, muss ich eine weitere charakteristische Eigenschaft jeder Spule heranziehen: ihre Induktivität L.

Die Induktivität ist die Tendenz eines Leiters, sich einer Änderung des durch ihn fließenden Stroms zu widersetzen. Selbst ein gerades Stück Draht hat eine gewisse Induktivität, und wenn man es zu einer Spule wickelt, erhöht sich die Induktivität beträchtlich. Tatsächlich ist sie proportional zur Anzahl der Windungen im Quadrat. Das heißt, wenn eine Spannung V an eine Spule angelegt wird, steigt der Strom exponentiell bis zu einem Wert an, der durch V/R gegeben ist, wobei R der Spulenwiderstand in Ohm ist. R begrenzt also den Endwert des Stroms, aber L bestimmt, wie lange es dauert, bis dieser Wert erreicht wird. Die Spule hat eine Zeitkonstante τ = L/R, d. h. die Zeit in Sekunden, die der Strom braucht, um auf 63 % seines Endwerts anzusteigen. Dies entspricht der Zeitkonstante eines kapazitiven Stromkreises mit τ = CR, d. h. der Zeit, die die Spannung am Kondensator benötigt, um auf 63 % ihres Endwerts anzusteigen.

Ist diese Zeitkonstante von Bedeutung? Für die meisten Relais- und Kleinmagnetanwendungen ist eine Zeitkonstante von etwa 1 ms schnell genug. Die beiden in den Abbildungen 1 bis 3 gezeigten Magnete und ein Relais haben alle eine Zeitkonstante von etwa 1 ms, basierend auf ihren inneren Spulenwiderstandswerten. Sie sind alle spannungsfeste Bauteile, da kein weiterer Widerstand hinzugefügt werden muss. Anders verhält es sich bei den PTR- und Fernschreibermagneten: Sie sind stromabhängig und haben völlig andere Eigenschaften.

Strombewertete Spulen

Kehren wir zu Abb. 4 zurück. Die PTR-Magnetspule hat einen Widerstand von nur 0,5Ω, eine Induktivität von 16mH und einen Nennstrom von 1A. Für diese Anwendung ist die vom Elektromagneten ausgeübte Gleichgewichtskraft wichtiger als seine Zeitkonstante. Die elektromagnetische Kraft ist proportional zum Strom I im Quadrat, so dass eine große I wäre eine gute Idee zu sein scheinen, Das bedeutet, es muss weniger Windungen von dickeren Draht Verringerung sowohl R und die Induktivität L. Wir wollen eine vernünftige Spannung für die Stromversorgung zu verwenden, daher die Verwendung eines 10Ω Strombegrenzungswiderstand mit +12V. Der Haken an der Sache ist, dass der Widerstand etwa 10 W Leistung in Form von Wärme abführen muss, wenn die Magnetspule ständig unter Strom steht. Deshalb wird ein relativ teurer Drahtwiderstand mit 25 W spezifiziert. Die sich daraus ergebende Zeitkonstante ist ein durchaus respektables τ = 0,016/10,5 = 1,5ms.

An der Fernschreiberschnittstelle finden wir einen Elektromagneten mit ganz anderen Eigenschaften: Die Magnetspulen haben einen Gesamtwiderstand von 220Ω, eine Induktivität von 4,5H und einen Nennstrom von 22mA. Ja, das ist richtig: 4,5 ganze Henries, nicht mH! Das ist ein Erbe der ursprünglichen Telegrafenleitungen. Das ergibt eine Zeitkonstante von 20ms, was viel, viel zu langsam ist. Dieser Magnet muss serielle Datenimpulse vom Host-Computer in mechanische "Signale" umwandeln, die den Fernschreibermechanismus antreiben. Die serielle Datenübertragungsrate beträgt 75 Bits/Sekunde oder 75 Baud, und im ungünstigsten Fall beträgt die Datenübertragungsrate 101010101.... Das Bit-Intervall beträgt 1/75 = 13,3 ms, was bedeutet, dass der Magnet in der Lage sein muss, den Anker in etwa einem Zehntel dieser Zeit von einer Seite auf die andere zu schalten: 1,3 ms. Es ist klar, dass eine Zeitkonstante von 20 ms nicht funktionieren kann. Aus diesem Grund beträgt die Versorgungsspannung 80 V mit 3,3 kΩ Strombegrenzungswiderständen R1, R2. Die Verwendung einer hohen Spannung führt zu hohen Widerstandswerten, um den Dauerstrom von 22 mA aufrechtzuerhalten. Durch die Erhöhung des Widerstandes verringert sich die Zeitkonstante, so dass jetzt τ = 0,016/3520 = 1,3ms. Beachten Sie, dass ich der Einfachheit halber die Sättigungsspannungen (Durchlassspannung) aller Transistoren ignoriert habe: Sie haben keinen großen Einfluss auf das Ergebnis.

In der Praxis werden Sie Ihre Magnetspulen und Relais nicht selbst entwerfen. Aber genau wie bei anderen Bauteilen müssen Sie genug wissen, um aus einem Katalog das Richtige für Ihre Aufgabe auszuwählen.

Relay control using Pulse Width Modulation (PWM)

Relaissteuerung mit Pulsbreitenmodulation (PWM)

Die PWM wird seit langem zur Temperaturregelung von Heizgeräten oder zur Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren eingesetzt, aber erst seit kurzem findet sie auch eine andere Anwendung: die Reduzierung des Stromverbrauchs von Relaisspulen. Die oben dargestellten Treiberschaltungen für ein unipolares Relais oder eine Magnetspule haben nur zwei Zustände, nämlich Ein und Aus. Um das Relais zu betreiben, muss ein Schaltstrom in der Spule fließen. Sobald die Schließerkontakte jedoch geschlossen sind, kann ein geringerer Haltestrom verwendet werden, um sie in diesem Zustand zu halten, und hier kommt die PWM-Steuerung ins Spiel. Der Eingang zur Schnittstelle von der MCU ist eine PWM-modulierte Wellenform mit hoher Frequenz (oft 20kHz, damit man sie nicht hört). Das Tastverhältnis der Pulse bestimmt, wie lange der Strom während jedes Zyklus fließt. 100 % bedeutet also, dass der Strom ununterbrochen fließt, 50 % bedeutet, dass er für die Hälfte des Zyklus fließt, und 0 % bedeutet, dass er ununterbrochen fließt. Die Relaisspule kann unmöglich mit dieser Frequenz schalten; stattdessen "sieht" sie einen durchschnittlichen Spulenstrom, der dem Tastverhältnis entspricht. Das funktioniert folgendermaßen:

1. Verwenden Sie ein Tastverhältnis von 100 % für etwa das Zehnfache des Zeitkonstantenintervalls, damit die Kontakte umgeschaltet werden und sich beruhigen.
2. Reduzieren Sie die PWM, um den Spulenstrom auf einen Wert knapp über dem Haltewert zu senken. Welcher Wert das ist, hängt vom jeweiligen Relais ab, aber ein Wert dafür ist normalerweise im Datenblatt des Relais angegeben. Wenn das Gerät in einer Umgebung mit Stößen und Vibrationen betrieben wird, kann für einen zuverlässigen Betrieb ein höherer Strom erforderlich sein.
3. Um das Relais zu deaktivieren, reduzieren Sie einfach die PWM auf 0 %.

Ein nützliches White Paper über Pulsbreitenmodulation (PWM) und Relais ist bei TE erhältlich.

Texas Instruments stellt einen PWM-basierten Relaistreiber-Chip her, den DRV120.