Scheda di espansione relè con Arduino…

Questa presentazione nasce dall’esigenza di voler utilizzare Arduino per comandare o pilotare un “carico”, significando con questo termine un dispositivo che per sue caratteristiche necessita di essere alimentato alla tensione di rete, ovvero la ben nota fornitura per uso civile di 230V 16 A 50Hz.
Quest’ordine di grandezza, non è gestibile direttamente dalla scheda di Arduino, o meglio non è possibile gestire il controllo del carico attraverso i pin di uscita della scheda di Arduino, per l’elevato valore di tensione espresso in volt ed anche per l’elevato valore di assorbimento espresso in ampere che determinano il funzionamento del dispositivo da comandare, questo perché la scheda di Arduino non supporta nei suoi pin assorbimenti consistenti e tensioni di isolamento elevate.
Allo scopo ci viene in aiuto un dispositivo ben noto in elettrotecnica ed in elettronica, il famigerato relè, che si andrà ad interporre tra la scheda di Arduino ed il carico da comandare; o meglio l’uscita attiva (High) del pin di Arduino andrà ad eccitare (alimentare) la bobina del relè (funzionante alla tensione di 5V) che a sua volta controllerà attraverso il suo contatto elettrico (NO o NC) il nostro carico.
Volendo semplificare con uno schema a blocchi è qualcosa del genere:

Lo schema a blocchi sopra raffigurato rappresenta l’idea di utilizzo del relè, ma in realtà non è proprio corretta, perché con le uscite dei pin della scheda di Arduino “non è consigliabile” comandare o eccitare direttamente la bobina di un relè, questo perché la bobina di fatto realizza un solenoide che energizzato al momento della sua alimentazione può produrre delle sovratensioni che andrebbero a danneggiare lo stadio di uscita della scheda di Arduino. Per questo motivo in genere in derivazione alle bobine di relè si trovano collegati dei diodi (tipo 1N4002) per fare in modo che la sovratensione non torni indietro verso la porta di comando, queste connessioni vengono dette “snubber” ovvero soppressore di disturbi.
Un altro modo sicuro per comandare o eccitare la bobina del relè isolandola galvanicamente dalla porta della scheda di Arduino è quella di utilizzare un comune BJT o transistor, in sostanza si va a comandare attraverso il terminale di “base” del transistor il relè opportunamente connesso al “collettore” del transistor stesso correttamente polarizzato attraverso resistori dimensionati.
Uno schema tipico di comando bobina relè attraverso un BJT potrebbe essere:

Nel caso della scheda di espansione relè che ho acquistato e sto provando, queste considerazioni sono bypassate dal fatto che sulla scheda, per ogni relè è presente già un proprio BJT di comando ed oltre al diodo led verde che indica lo stato attivo della scheda, sono presenti per ogni relè un diodo led rosso che ne indica lo stato di eccitazione e riposo.

Due paroline sul relè…

Visto che l’abbiamo tirato in ballo, con l’occasione, una breve descrizione del relè non guasta…

Il relè per come originariamente realizzato, ed in genere è un dispositivo di tipo elettromeccanico, in quanto attraverso l’eccitazione di una bobina (elettrico) avvolta su di un rocchetto e percorsa da un’intensità di corrente (continua o alternata) si magnetizza un nucleo di materiale ferromagnetico posto all’interno della stessa bobina, che a sua volta attrae un’ancoretta (meccanico) la quale andrà a chiudere con il suo movimento una coppia di contatti che si sfrutteranno per comandare l’alimentazione di un generico carico, per evitare che l’ancoretta resti impegnata con il nucleo per effetto di magnetizzazione residua si interpone una piccola parte di materiale diamagnetico sulla stessa ancoretta.

Quanto descritto rappresenta il “principio di funzionamento di un relè elettromeccanico” e le sue parti fondamentali. Seppure il relè si possa avere in diverse forme e dimensioni e con caratteristiche elettriche differenti questo non cambia.

In genere i relè si possono avere per applicazioni su circuito stampato tipo quello sopra raffigurato o per utilizzo per applicazioni in campo civile con cablaggio a morsetti volante o per utilizzo industriale con cablaggio ed installazione a zoccolo per barra din, con differenti caratteristiche tecniche, tipo..

Una breve presentazione del relè per conoscerne il funzionamento e la sua consistenza, si è anche detto che ne esistono di diverse tipologie suddivise per ambiti di utilizzo e per dimensioni nonché per caratteristiche differenti che vanno dalla diversa tensione di alimentazione della loro bobina, quindi si possono avere relè per corrente continua o per corrente alternata, sia per la loro tipologia costruttiva quindi di tipo elettromeccanico (con parti meccaniche in movimento) o di tipo statico (senza parti in movimento perché realizzato con dei fototransistor).

In genere un relè si sceglie si in base alla tipologia e grandezza della tensione di alimentazione, ma anche in base al numero di contatti NO ed NC che occorrono, ed alla loro portata in ampere e la loro tensione di isolamento.

 

La scheda di espansione relè…

Come già detto in precedenza, sulla scheda di espansione relè , e non shiedl, perché con shiedl si intendono le schede che vanno a sovrapporsi alla scheda di Arduino; abbiamo su questa i nostri quattro relè e relativi BJT di comando e diodi led di segnalazione di stato, ed i relativi morsetti di collegamento.

La tensione di alimentazione in questo caso è quella di 5V che prenderò sempre dalla scheda di Arduino essendo in questo caso una sola verifica di funzionamento della scheda dei relè ed un test di prova per lo sketch relè. Diversamente in applicazione pratica di una ipotetica realizzazione, vien da se che si dovrà considerare di avere un “circuito di alimentazione dedicato” per la scheda di Arduino e per la o le schede di espansione.
I relè presenti sulla scheda come si evince dalle serigrafie sugli stessi relè, supportano nei loro contatti , tensioni di isolamento di 250 V in ca e 10 A di portata e di 30 V in cc e 10 A di portata, ed hanno un contatto deviato che offre una condizione a riposo di NO ed NC,pertanto ben si prestano alla mia applicazione futura.
Su un lato si osservano i morsetti del tipo a vite dei collegamenti relativi ai contatti per ogni relè , e dall’altro lato si osservano i reofori per le connessioni degli input dei quattro relè (IN1_IN2_IN3_IN4) e per l’alimentazione della scheda con GND e Vcc.

 

Prova della scheda di espansione relè …

A questo punto dopo aver visto brevemente cosa sia un relè, ed aver visto anche come sia realizzata la nostra scheda di espansione relè, non resta che testarla con la scheda di Arduino Uno e per questo utilizzerò la mitica breadboard per simulare un carico utilizzando i ben noti diodi LED, ed alimentadoli con una alimentazione esterna, o meglio con una batteria, in pratica ripronendo lo schema a blocchi visto in precedenza …

In questa prova l’alimentazione della scheda di espansione relè di 5V sui pin Vcc e GND è fornita dalla scheda di Arduino dai pin 5V e GND. I pin che forniscono gli stati di HIGH e LOW di Arduino sono i pin 6,7,8,9 rispettivamente IN1,IN2,IN3,IN4 della scheda relè.

Il carico ovvero i diodi LED sono collegati con le rispettive resistenze di polarizzazione sulla breadboard e fanno capo ai contatti NO della scheda relè, dai quali prendono il positivo di alimentazione fornito dalla batteria di 9V collegato sul comune C di ogni relè, ed il negativo direttamente sui diodi led della breadborad.secondo lo schema elettrico …

Per quanto riguarda i collegamenti, nulla di eccezionale, in luogo dei diodi LED si può immaginare di avere un dispositivo elettrico tipo un attuatore, o una sirena di allarme non cambierebbe nulla, solamente la batteria o sorgente di alimentazione esterna ed i conduttori di collegamento.
Lo sketch di gestione della scheda, che simula l’eccitazione temporizzata ed in sequenza dei relè, prevede un tempo (DELAY) espresso in millisecondi e che può essere variato a piacimento; in questa prova ho impostato il tempo partendo dal primo diodo LED con 700 ms scendendo a 400 ms con il quarto diodo LED…

Una volta caricato nella scheda di Arduino Uno lo sketch ed alimentando la bradboard con la batteria esterna si può verificare il funzionamento della scheda relè osservando la sequenza di accensione dei diodi LED che segue la sequenza dei diodi led di stato dei rispettivi relè…meglio apprezzabile dal breve video che segue …

 

Utilizzare la scheda relè con ArduinoUNO non è stato così difficile, almeno per comandare dei semplici diodi LED, meno potrebbe esserlo comandare dei dispositivi che lavorano alla tensione di rete di 230 V 50 Hz, in questo caso occorre avere molta attenzione per la sicurezza propria ed altrui. La tensione di rete richiede delle conoscenze in primis per la sicurezza ed in secondo per un corretto dimensionamento dei dispositivi da utilizzare, quindi attenzione.
Alla prossima 😉

Disclaimer.

Quanto rappresentato in questa presentazione: testo,immagini disegni sono frutto di una elaborazione propria,e rappresentata a scopo di studio e didattico, pertanto  ogni possibile danno a cose o persone da un utilizzo improprio delle informazioni non è responsabilità dell’autore che declina ogni responsabilità.