Röle Nedir?
Röle en kısa tabirle elektrikle kontrol edilen mekanik bir anahtarlama elemanıdır. Kontrol uçlarına gerekli miktarda "bu miktar rölesine göre değişiklik göstermekte" enerji uygulandığında devreyi tamamlar, enerji kesildiğinde de devreyi açar.
Rölenin Pinleri ve Bağlantı Şeması
Aşağıdaki devre üzerinden basitçe anlatmaya çalışalım, 12v 'luk bir lambayı, 5 V 'luk bir kaynak ile anahtarlayabiliyor olacağız. Örnekte 12v olarak vermişiz ama bu rölenin de durumuna göre 220v şebeke gerilimiyle çalışan herhangi bir cihaz olabilir -> Lamba, Motor Buzdolabı, ihtiyaca göre, ancak röle parametrelerinin yükün parametrelerini karşıladığından emin olmak gerekiyor.
Röle üzerinde "genel röleler için" 5 adet pin bulunuyor :
- COMM, COM, COMMON : Ortak uç anlamına gelip anahtarlanacak elemana güç verecek olan kaynağın anahtarlanacak ucu bu terminale bağlanır, Kaynağın diğer ucu direk olarak yüke bağlıdır, yukarıda gördüldüğü üzere GND uçları hem kaynakta hem lambalarda ortak kullanılmıştır. 5V un GND si ile ortak olmak zorunda değildir hatta ayrı tutulması gerekir.
- NC, Normally Connected : Bu pin röleye enerji verilmediğinde akımın akacağı yön olarak tanımlanabilir, görselden anlaşılacağı üzere rölenin enerjisini açıp kapatmak için yerleştirilen anahtar açık durumda, yani röleyi enerjisiz durumda tutmaktadır. Bu durumda röle çalışmamakta ve BAT1 kaynağından gelen +12V güzergahını L1 lambası üzerinden (GNDler ortak) tamamlayıp lambayı yakar.
- NO, Normally Open : Bu pin normalde açık devre olan pindir, röleye enerji verildiğinde rölenin kontaktörü, -COM pinine bağlıdır- NC pininden NO pinine yön değiştirerek akımın NO üzerinden akmasına, dolayısıyla L1 lambasının sönüp L2 lambasının yanmasına sebep olur.
- Coil1 Coil2 : Görselde rölenin alt kısmında bulunan bobinin uçlarıdır, röleye enerji verdiğimizde rölenin çalışmasına vermediğimizde de çalışmamasına sebebiyet veren pinlerdir :)
Bir Röleyi Arduino ile Kontrol Edebilir Miyiz?
Atmega328p için bu değere bilgi sayfasından baktığımız zaman bir dijital pin için maksimum 40mA sağlayabileceğini görüyoruz. Bu aşağı yukarı çok nadir istisnası olmakla birlikte tüm mikrodenetleyicilerde yakın değerlerdir.
SRD-05VDC-SL-C için ihtiyaç duyduğu ya da çektiği akıma bakacak olursak
71.4 mA değerini görüyoruz, yani bu röleyi direkt olarak arduino'nun bir pinine bağlayarak kontrol edemeyiz.
Bazı istisnalar çıkabilir ancak hiçbir röleyi direkt olarak bir mikrodenetleyicinin dijital piniyle açıp kapatamayız, ya açıp kapatamayız ya da o pinin ve dahi bağlı olduğu portun kısmi olarak ya da mikro denetleyicinin tamamen zarar görmesiyle neticelenecektir bu durum.
Rölenin Transistörle Sürülmesi
Akıma ihtiyacımız varsa, bir anahtarlama elemanı olan röleyi anahtarlamak için ikinci bir anahtarlama elemanı olan transistörü kullanabiliriz. Bir lamba yakıcaz diye çektiğimiz eziyete bak :)
İki tip transistörümüz var, NPN, PNP; bunlardan NPN olan base ucunda pozitif gerilim olduğunda açılır, bu durumda pin HIGH olduğunda röle çalışır. NPN bir transistör seçelim, Rölenin negatif ucunun enerjilendiği GND hattını bu transistorle kesip anahtarlamış olalım.
Transistörümüzü seçerken bakacağımız ilk parametre Kollektor Akımı, mümkünse sorunsuz çalışması bakımından ihtiyacın en az iki katı kollektör akımı sağlayabilecek bir transistor seçebiliriz. Ben tercihimi 2n3904 'ten yana kullanıyorum:
200mA kollektör akımı sağlayabiliyor. Bizim için yeterli. Ancak transistorumuzu doyuma ulaştırıp VCE 'yi mümkün olduğu kadar sıfıra yaklaştırmalıyız ki bobin uçlarında 5v oluşabilsin. Transistörün datasheet 'inde 50mA kollektör akımı için 60 gain, 100ma kollektör akımını için 30 gain verilmiş. Röle için 70mA gibi bir akımdan söz ederken; akımımız ortalarda olduğundan (50 70 100) gainimizi de ortalarda kabul edip 45 diyebiliriz. Buralara kadar geldiyseniz gain nedir biliyor olmalısınız, bilmiyorsanız şu demek, kollektör akımı baseden sağladığınız akımla gain çarpılarak elde ediliyor, bir transistör için: beta değeri, Hfe diye de geçen akım kazancı, transistördeki olayımız az akımla yüksek akım kontrol etmek ya bunun çarpanı oluyor kendisi. Şuraya geliyoruz: 45 kazançla 70mA akım elde etmek için ne kadar base akımı sağlamalıyız? Yani bir bilinmeyen Base Akımımız var bunu 45 le çarpıp 70mA elde etmişiz; basitçe 70/45 = 1,56mA gibi bir değere ulaşabiliriz.
İkinci stage 'da base üzerinden 1,56mA akım akmasını sağlamak için kaç ohm luk bir direnç kullanmalıyız durumu var : VBE dediğimiz bir transistör üzerinde düşen voltajımız var 0,7v olarak kabul edersek, ve giriş voltajımız da 5v olduğuna göre direnç üzerinde 4,3v gibi bir voltaj oluşacak, direnç için R = V / I eşitliğini kullanarak -> 4,3 / 0,00156 = 2756 ohm gibi bir değere ulaşıyoruz. Tamam 2.2 k yeterlidir diyelim.
Hesaplarımızı yaptık, beklentimiz hesaplarımızın simülasyona uyması
Simülasyondan konuşalım biraz, V2 referansıyla isimlendirilmiş kaynak için arduino digital pin diyebiliriz, onunla kontrol edeceğiz çünkü, R1 base direncimiz, 2K2 olarak belirledik, Q1 transistörümüz, emiteri ground a bağlanmış kollektörü R2 'ye: R2 rölemizin bobinini temsil ediyor, neden 70 ohm derseniz, yukarıda röle ile ilgili verdiğimiz görselden coil resistance parametresine bakmanız yeterli olacaktır, R1 üzerinden geçen akım: (arduino pininden çekilecek akım) 1,9mA olarak, R2 üzerindeki akım da 70in az üzeri mA olarak karşımıza çıkmakta ki bu da rölemizin ihtiyaç duyduğu akımın ta kendisi oluyor.
Röle İle Neden Diyot Kullanılır?
Arduino pin üzerinden çekilecek akım olayından kurtulduk, başka bir durumumuz var mıdır peki artık hazır mıyız, şöyle diyelim elinizde bol miktarda transistörünüz varsa ve yandıkça değiştirmekle ilgili (tahminimce röle ilk kapandığında bozulacaktır) bir sıkıntınız yoksa hazırsınız :) Transistör neden yanıyor yahu, herşeyi hesapladık ayarladık limitlerince, Evet öyle oldu ama bobinin doğal davranışı olarak ortaya çıkan bir başka problemimiz daha var; bobinlerin uçlarına enerji uygulandığında enerji depolarlar, enerjiyi kestiğiniz anda da ters yönde içinde mevcut kalan bu enerjiden kurtulmak isterler, bakın aşağıda bir rölenin bobinine enerji verilip kesildiği andaki bizzat tarafımca alınmış osiloskop görüntüsü var:
Görüldüğü üzere 12v 'luk bir röleden enerji kesildiği anda 60µs gibi kısa da olsa bir süre içerisinde yukarı ama en çok tersi yönde bir salınım gerçekleşmiş ve negatif yönde 392v lara kadar ulaşmış, en son 150v seviyesinden salınımlara nazaran yavaşça 0 noktasına doğru ilerlemiş, ekrandan tahmin edebileceğimiz kadarıyla bu da 100 üzeri mikro saniye sürmüş diyebiliriz. Süreler kısa gibi görünebilir ancak transistörü bozmaya yeteceğinden emin olabilirsiniz :) Nerden biliyorum, veri sayfasında VCE (bu voltajın oluştuğu pinler) breakdown (kırılma-bozulma) voltage : min 40V. diye belirtilmiş, yani 40 V 'a kadar bozulmam üzerine garanti veremem diyor. Ters yönde oluşan bu salınımları engellemek için rölenin uçlarına ters yönde bir diyot bağlanır, bu diyotun yukarıdaki voltajlarla bozulmayacak bir diyot olmasına dikkat edin 1N4001 - 1N4007 en çok tercih edilenlerden. Nihai olarak devremiz şu hale gelmiş oldu :
Artık devremizi herhangi bir mikrodenetleyici ile güvenle kullanabiliriz. Bir nokta daha söylemiş olalım, Yukarıdaki devrede DC kaynaklar kullanıldığı için GND 'ler ortak kullanılmış, kaynak GND ile düşük tarafın yani 5 V un GND si ortak olmak zorunda değildir, tamamen birbirinden bağımsız devrelerdir. Eğer 220v ile mesela bir lamba anahtarlama yapacaksanız, 220V un bir ucunu lambanın bir ucuna diğer ucunu rölenin Common ucuna bağlayın, lambanın diğer ucunu da NO pinine bağlayın, başka hiç bir yere hiçbir bağlantı yapmıyor ortak GND vs gibi maceralara girmiyoruz, aman dikkat!
Rölenin kontrol kısmını geçelim, Anahtarlama kısmında limitlerimiz var mı onlara da bakmış olalım kısaca : Rölenin üzerinde şu metinler var :
10A 250VAC 10A 125VAC
10A 30VDC 10A 28VDC
AC anahtarlayacaksan 250 v u geçme, kullandığın yük 10A i geçmesin
DC kullanacaksan 30V 10A geçme -> 300W ediyor iyi bir değer bence :) Tabi bunlar Resistive yükler için inductive bir yük ile kullanacaksan bu değerler yarı yarıya düşüyor. Kafanıza takılan bir şey olursa lütfen yorumlarda sormaktan çekinmeyin.
İncelediğimiz devre, piyasadan kolayca bulabileceğiniz Röle Modülü 'dür. Kullanımıyla ilgili Arduino Röle Modülü ile Lamba Kontrolü yazımı okuyabilirsiniz.
Herkese kolay gelsin!
