D01 Das 5V-Relais-Modul
5V Relay Module
Physische Ausgabe
Im Prinzip ist ein Relais (engl. relay) nichts anderes als ein Schalter. Im Gegensatz zu einem mechanischen Schalter, der händisch betätigt wird, ist das Relais ein elektrisch betriebener Schalter. Es öffnet oder schließt Stromkreise, wenn es durch ein Strom-Signal betätigt wird. Relais sind ideal bei Projekten, in denen Geräte mit hoher Leistung gesteuert werden sollen.
Mit einem kleinen Gerät wie dem Relais, das nur mit den 5V aus dem Computer-USB-Kabel betrieben wird, können wir einen großen Motor oder ein anderes elektrisches Gerät mit 220V steuern. Das Geheimnis sind zwei getrennte Stromkreise, die unabhängig sind. Innerhalb des Relais ist ein Elektromagnet angebracht, der mit den 5V des Arduinos versorgt wird. Wird die elektromagnetische Spule eingeschaltet, verbindet oder löst das Magnetfeld kontaktlos die Verbindungen im anderen Stromkreis. Diese beiden Stromkreise nennt man Primär- und Sekundärstromkreis. Der Primärkreis ist der Steuerkreis, der den erforderlichen Strom zum Ein- und Ausschalten des Relais liefert (Arduino seitig). Der Sekundärstromkreis ist getrennt und kann hohe Lasten aushalten.
Spezifikationen
- Signalart: digital
- Spannung: 5V
- Pinabstand: 2,54mm
- Nennstrom: 10A (NO) 5Ampere (NC)
- Maximale Schaltspannung:
150VAC 24VDC
- Nennlast: 8A 150VAC (NO) 10A 24VDC (NO), 5A 250VAC (NO/NC) 5A 24VDC (NO/NC)
- Maximale Schaltleistung: AC1200VA DC240W (NO) AC625VA DC120W (NC)
- Kontaktauslösezeit: 10ms
Es gibt verschiedene Arten von Relais auf dem Markt. Die Unterscheidung erfolgt hauptsächlich nach der Höhe der Ansteuerspannung. Die beliebtesten sind 5V, 12V, 24V und 48V Gleichstrom-Spulenrelais. Je nach Nennwert können sie Lastströme von 1 bis 100 Ampere bewältigen.
Vorsicht! Der Umgang mit diesem Modul kann tödlich sein! Falls du mit hohen Spannungen arbeitest, bedenke immer, dass die untere Seite dieses Moduls ungeschützt ist! Es sollte immer in einem entsprechenden Gehäuse motiert werden.
Wie ein Relais funktioniert
Das untere Diagramm zeigt die interne Funktionsweise eines Relais. Auf der linken Seite ist der Primärstromkreis mit der elektromagnetische Spule und deren zwei Anschlüsse (1) dargestellt. Die Spule bezieht seinen Strom aus einem digitalen Pin des Arduino. Die gestrichelte Linie deutet auf den Sekundärstromkreis und stellt dabei die Wirkungsrichtung des Magneten dar. Das Magnetfeld beeinflust den beweglichen Anker der mit Pin 2 verbunden ist. Pin 2 wird Comm genannt und ist der gemeinsame Anschluss für Pin 3 (NC) und 4 (NO).
Es gibt zwei Arten, wie ein Relais eingesetzt werden kann. Wir können mit den drei Anschlüssen 2, 3 und 4 entweder einen Stromkreis öffnen oder schließen. Steht das Relais nicht unter Strom, so sind die Anschlüsse 2 und 3 verbunden. Bei dieser Konfiguration ist der Sekundärstromkreis geschlossen.
Wird das Relais mit 5V versorgt springt der Anker zum Anschluss 4 und die Verbindung zwischen 2 und 3 wird geöffnet und der Stromkreis wird unterbrochen. Gleichzeitig schließt sich der Stromkreis auf der Linie 2 und 4. Sobald das Relais keinen Strom mehr bekommt, schnellt der Anker wieder in die Ausgangsposition.
Man spricht auch von einem Öffner und Schließer. Ein Schließer (NO) ist ein Kontakt, der im Normalzustand keinen Strom fließen lässt, in diesem Fall, wenn die Spule NICHT unter Strom steht: Also die Verbindung zwischen 2 und 4 wäre dann offen. Ein Öffner (NC) ist ein Kontakt, der im Normalzustand Strom fließen lässt, in diesem Fall, wenn die Spule unter Strom steht: Also die Verbindung zwischen 2 und 3 ist geschlossen.
Der folgende Schaltplan zeigt beispielhaft einen Primär- und Sekundärstromkreis in den zwei unterschiedlichen Konfigurationen. Abbildung A zeigt die Öffner Anwendung, in dem der Schalter im Primärkreis nicht betätigt ist und die Spule spannungslos ist. Im Sekundärkreis bleibt die Lampe an.
Abbildung A
In der Abbildung B wird der Schalter betätigt und der Primärkreis schließt sich. Dabei wird der Elektromagnet aktiviert und der bewegliche Anker wird vom Pin 4 auf Pin 3 versetzt. Der Stromkreis im Sekundärbereich wird somit geöffnet und die Lampe erlischt.
Abbildung B
Noch ein Wort zur Aktivierungs-Geschwindigkeit: Das Keyestudio Relais-Modul hat eine Kontaktauslösezeit von 10ms. Das ist für manche Anwendungen relativ schnell, wenn man bedenkt, dass eine Sekunde 1000 Millisekunden sind. Das Modul besitzt eine rote integrierte LED, die angeht, sobald das Relais aktiviert wird. Bei der Aktivierung ertönt ein Klick-Geräusch. Das ist der Anker, der vom Elektromagnet angezogen wird. Das Klicken können wir benutzen, um Töne zu produzieren – allerdings nicht so laut wie ein Piezo-Lautsprecher. Man kann sogar unterschiedliche Tonhöhen abspielen. Hierzu kannst du den Sketch aus C02 Der passive Piezo-Lautsprecher hochladen und mit der gleichen Verkabelung ablaufen lassen. Du wirst hören, dass der Sirenen-Ton aus dem Relais kommt.
Der Aufbau
Um das Relais zu testen brauchen wir ein weiteres Modul. Das Relais soll im Schließer-Modus (NO) eine RGB-LED ein- und ausschalten. Beachte, dass die RGB-LED in keinster Weise programmgesteuert wird, sondern nur mit dem Relais funktioniert. Für die Stromversorgung der RGB-LED nutzen wir den 3,3V Pin. Immer wenn das Relais aktiviert wird (integrierte rote LED des Moduls leuchtet auf) wird gleichzeitig auch das RGB-LED-Modul mit Strom versorgt. In diesem Beispiel hängen beide Module an der gleichen Stromversorgung, aber du kannst natürlich einen getrennten Stromkreis mit höheren Strömen an das Relais anschließen. Verbinde dein Arduino mithilfe der Jumper Wire mit dem Modul:
Der minimal Sketch
Der Sketch ist relativ einfach. Die LED wird im Sekundentakt ein- und ausgeschaltet. Solange das Arduino mit Strom versorgt wird wiederholt sich dieser Vorgang innerhalb von void loop(). Dieser Sketch ist in seinem Aufbau mit dem Code aus dem Kapitel für die weiße LED gleich - bis auf die Variablennamen und die Anzahl der LEDs. Siehe für nähere Erläuterungen des Sketches in B01 Die weiße LED nach. Kopiere den unteren Sketch, füge ihn in die Arduino IDE ein und lade ihn auf das Arduino-Board rauf.
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D01 Das 5V-Relais-Modul
Der Minimal-Sketch
Mr Robot UXSD / www.mrrobotuxsd.com
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int relayPin = 7; //Pin-Nummer des Relais
void setup()
{
pinMode(relayPin, OUTPUT); //den Relais als OUTPUT deklarieren
}
void loop()
{
digitalWrite(relayPin, HIGH); //schalte das Relais ein
delay(1000); //Pause
digitalWrite(relayPin, LOW); //schalte das Relais aus
delay(1000); //Pause
}
Falls du die hier beschriebenen Elektronik-Module nicht hast kannst du sie in meiner Einkaufsliste finden. Warum ich selber hauptsächlich mit Modulen der Marke Keyestudio arbeite erläutere ich unter diesem Blog-Artikel.