ממסר אלקטרו מכני - ElecroMagnetic Relay

מטרת הרכיב להעביר או לנתק את הזרם בין שתי נקודות במעגל חשמלי באופן נשלט.

תיאור פשוט של אופן פעולת הרכיב

הממסר הוא רכיב חשמלי הבנוי משני חלקים: סליל אלקטרו-מגנטי ומפסק (מתג). כאשר מועבר זרם חשמלי בסליל, נוצר שדה מגנטי המושך את המגעים ופותח או סוגר את המעגל, דבר המוביל לניתוק או הפעלת המכונה/מערכת בהתאמה.

הסבר פנימי של אופן פעולת הרכיב

בממסר לרוב אפשר להשתמש בשני מצבים עיקריים:

- מגע פתוח (NO - normally open) - מצב שבו כשהממסר לא מופעל המגעים פתוחים ולכן לא עובר זרם במערכת (המעגל הנשלט פועל כשהממסר דולק).

- מגע סגור (NC - normally closed) - מצב שבו כשהממסר לא מופעל המגעים סגורים ועובר זרם במערכת (המעגל הנשלט פועל כשהממסר כבוי).

בממסרים רבים, כמו זה שאני עשיתי בו שימוש, למתכנן/ת המערכת יש אפשרות לבחור לחבר את הממסר בתצורת NO או NC בהתאם לצרכים שלו/ה.

מהסרטוט משמאל אפשר להבין פחות או יותר מה קורה בתוך הממסר עצמו ואיך הוא פועל.

הסליל הכחול מייצג את המעגל השולט (הארדואינו במקרה שלנו). כאשר מעבירים דרכו זרם נוצר שדה מגנטי שמושך את לשונית המתכת (בירוק). הלשונית סוגרת מעגל בין רגל הכניסה (common) לרגל הNO. כשאין זרם, הלשונית (בעזרת קפיץ) חוזרת למצבה המקורי וסוגרת מעגל בין הכניסה לרגל הNC.

בסרטוט מעל ניתן לראות כיצד הממסר האלקטרו-מכני הנפוץ נראה מבפנים ומאילו חלקים הוא בנוי. סליל אלקטרו מגנטי שכאשר עובר בו זרם מושך את המגנט ובכך מזיז את לשונית הcommon לסגור מעגל עם לשונית הNO, וכשבסליל לא עובר זרם הלשונית סוגרת מעגל עם רגל הNC.

כדי להבין איך הממסר עובד מבפנים נחשוב על המפסק הכי פשוט שאפשר לדמיין.

למפסק כזה יש רק שני מצבים, פתוח או סגור. לצורה זו קוראים SPST - single throw single pole והמשמעות היא שיש לו כניסה אחת ויציאה אחת.

לעומת זאת, בממסר שלנו יש כניסה אחת (common) ושתי יציאות למעגל הנשלט, נקרא גם

SPDT - single pole double throw.

זאת אומרת שבכל זמן נתון, אחת היציאות סגורה והשנייה פתוחה. לכן אפשר להשתמש בממסר בשני מצבים נתונים: NC וNO.

Pinout

הרכיב בתמונה למעלה זה הרכיב שניתן למצוא בסדנה. יש בו שני ממסרים, לכן קיימות שתי כניסות לשליטה מהארדואינו: IN2 ו-IN1 (פינים 2 ו3 כמו שרואים באיור).

כל אחד שולט על ממסר אחר: IN2 (פין 2) על הממסר העליון (יציאות 11, 12 ו13) ו-IN1 על הממסר התחתון (יציאות 8, 9 ו10).

כניסות המעגל השולט (הארדואינו) הן בפינים 1-4, כש1 מחובר למתח של 5v, פין 4 מחובר לGND, ו-2,3 מחוברים כל אחד לפין דיגיטלי כלשהו בארדואינו.

הכניסות בפינים 5-7 לא בשימוש ולכן לא רלוונטיים בעבודה.

היציאות למעגל הנשלט, עליו משפיע הממסר, הן בפינים 8-13 כש8-10 מחוברות לממסר אחד ו11-13 מחוברות לשני.

במעגל הנשלט, שעל כיבויו והדלקתו רוצים להשפיע, צריך לפצל את אחד הכבלים ולחבר את שני הקצוות שנוצרו לממסר. קצה אחד בפין של הCOM (פין 9 בממסר התחתון ו12 בעליון), ואת הקצה השני יש לחבר לאחת משתי היציאות האחרות לפי דרישת המשתמש (אחד אשר ישתמש בממסר בצורה של NC - normally closed בפינים 8 ו11, ואחד שישתמש בו בצורה של NO - normally open בפינים 10 ו13. על שני המצבים הללו הסברנו מקודם).

דיאגרממת חיווט

את הממסר מחברים מצד אחד לארדואינו ומהצד שני למעגל הנשלט הבנוי לרוב ממקור מתח ורכיב כלשהו (במקרה זה נורה).

נקבע מתי אנחנו רוצים להדליק את הנורה ולפיכך נחווט את הרכיבים: האם הנורה תפעל כשהממסר דולק או כשהוא כבוי?

אם אנחנו רוצים שהנורה תהייה כבויה לרוב ושתידלק על ידי הדלקת הממסר - נחבר את הנורה ומקור המתח לרגל של הCOM ולרגל של הNO בממסר (לא חשוב איזה לאן), כפי שניתן לראות בתמונה הבאה:

ואם אנחנו רוצים לכבות את הנורה על ידי הדלקת הממסר (כלומר ברירת המחדל היא שהנורה דולקת) - נחבר את המעגל לרגלי הCOM והNC כך:

כמובן שאפשר להחליף את הנורה בכמעט כל רכיב אחר כמו מנוע, חיישן, באזר ובעצם כמעט כל רכיב שעולה לכם לראש.

קוד לדוגמה

// Keyes SR1y relay blink sketch
#define RELAY_ON 1 // Define relay on pin state
#define RELAY_OFF 0 // Define relay off pin stat
#define Relay 13 // Arduino pin where the relay connect
void setup()
{
digitalWrite(Relay, RELAY_OFF); // initialise the relay to of
pinMode(Relay, OUTPUT);
delay(1000);
}
void loop() // Turn the relay on and off in sequence
{
digitalWrite(Relay, RELAY_ON); // turn the relay on
delay(1000); // wait
digitalWrite(Relay, RELAY_OFF); // turn the relay off
delay(1000); // wait
}

הקוד לקוח מהאתר Keyes SR1y Relay module circuit

תיאור קוד לדוגמה

הפעולה הנעשית בקוד המצורף היא הפעלה וכיבוי של הממסר לסירוגין.

תחילה מגדירים משתנים שיעזרו לנו להבין בהמשך הקוד על איזה רכיב אנחנו מדברים בכל פעולה.

מגדירים את הכניסה של הממסר - פין מספר 13 (יכול להיות גם כל פין דיגיטלי אחר) המתחבר לאחד האינפוטים ברכיב הממסר (IN1 או IN2) ועל ידו נעשית השליטה על ההפעלה והכיבוי של הממסר.

בקוד עצמו מפעילים את הממסר לשנייה ומכבים אותו לשנייה נוספת, וכך זה ממשיך בלופים.

פעולת ההפעלה נעשית על ידי שליחת זרם לפין של הממסר בפקודה digitalWrite שבשורה 17, ומשך הפעולה נקבע על ידי פקודת הdelay.

פעולת הכיבוי נעשית באופן זהה.

כדי לזהות שהפעולה אכן נעשית, יש לשים לב כי בכל פעם שהממסר משנה את מצבו (נפעל/נכבה) - אפשר לשמוע קליק.

הקליק המושמע הוא התוצאה מפגיעה של לשונית הcommon ברגל של אחד מן המגעים.

חלופות לרכיב

ישנם סוגים רבים של ממסרים שעובדים בצורות שונות ונועדו לשימושים שונים.

אחד מהממסרים הללו הוא ממסר מצב מוצק (SSR - Solid State Relay).

בממסר זה אין שימוש בחלקים מכניים והוא עובד בצורה שונה מהממסר האלקטרו מכני שאנחנו כבר מכירים.

הוא משתמש ברכיבים אלקטרוניים מוליכים למחצה כמו טרנזיסטורים ותיריסטורים כדי לחבר ולנתק את הזרם בין המעגלים (השולט והנשלט) בצורה מבודדת.

הוא מחווט בצורה של SPST, כלומר - יש לו כניסה אחת בלבד ויציאה אחת בלבד.

יתרונות:

- לעומת ממסר אלקטרו מכני (EMR) החלקים שלו לא ישחקו ויתבלו מהר, ולכן הוא עמיד ליותר זמן.

- מתאפשרת החלפה יותר מהירה בין מצבי המפסק.

- אין רעש בעת קיום הפעולות.

סוג נוסף של ממסר הוא ממסר עלה (Reed Relay).

ממסר זה, כמו הEMR משתמש בסליל אלקטרומגנטי לפעולה, אך הפעם המוליך הוא זה שמושפע מהשדה המגנטי הנוצר, והוא מאוד דק לכן הזרם הדרוש להפעלתו קטן יותר.

בממסר זה שני חלקי המתג הם מגעים מוליכים דמויי ״עלה״.

בזמן שהממסר מופעל, הסליל יוצר שדה מגנטי באזור הפנימי בו נמצאים המגעים, וקצותיהם נהפכים לבעלי קטבים מגנטיים הפוכים כך שהם נמשכים זה לזה וסוגרים את המעגל. כשהממסר לא פועל אין שדה מגנטי באזור זה ולכן המגעים חוזרים למצבם המקורי (מצב פתוח).

גם ממסר זה הוא מסוג SPST.

יתרונות:

- דורש מעט חשמל.

- כמות מופחתת של חלקים, הגודל שלהם, המרחק הזעיר בין המגעים וכמות החשמל המועטה הדרושה להפעלתו מאפשרים לממסר להחליף מצבים בקצב מהיר יחסית.

- ה״עלים״ נמצאים בתוך שפופרת זכוכית אטומה שמלאה בגז אציל כלשהו (או מרוקנת לגמרי מגז) כדי שהשחיקה של המגעים כתוצאה מהקורוזיה (חלודה) תקטן, ולכן הממסר עמיד יותר לאורך זמן.

חסרונות:

- הפרעות חיצוניות יכולות להשפיע על תזוזת המגעים בממסר כך שהם עלולים לא להיפגש בכלל.

- את המגעים מקיפה לרוב מעטפת זכוכית עדינה שעלולה להשבר מלחץ רב

כמובן שאלו רק שתי דוגמאות לממסרים נוספים שאפשר למצוא בנוסף לממסר אלקטרו מכני, ישנם סוגים רבים נוספים של ממסרים הפועלים באופנים שונים שמבצעים לפעולות דומות.

שגיאות שכדאי להמנע מהן וטיפים מועילים

תחשבו טוב איך אתם רוצים שברירת המחדל של המעגל הנשלט שלכם יראה, ככה תוכלו לדעת לאן לחבר אותו בממסר (לNO או לNC).

כשהממסר מופעל שומעים קליק חזק. לא לפחד, זה סימן שהוא עובד ;)

המעגל הנשלט לא מקבל מתח מהבקר, לכן צריך לדאוג שהוא יהיה מחובר למקור מתח נפרד! (אפשר לראות דוגמה בהסבר על החיווט)

אפשר להשתמש באותו ממסר לשני מעגלים שונים אם רוצים שהם אף פעם לא יופעלו במקביל ושיהיו תלויים באותם משתנים.

למשל: לחבר שני לד סטריפים בעלי מקור מתח משותף, אחד לרגל של הNC והשני לרגל של הNO, וכך כשהממסר יפעל - לד סטריפ אחד יאיר והשני יהיה כבוי, וכשהממסר יכבה הראשון יכבה והשני יפעל.

דוגמאות למעגלים חשמליים מגניבים שמשתמשים בממסר: מנורת לילה שנדלקת כשהחדר חשוך, מאוורר שמופעל כשהטמפרטורה גבוהה מדי.

בסדנה אנחנו בדרך כלל משתמשים בממסר לשליטה על מעגלים בעלי מתח של עד 24v, אבל בפועל הוא מסוגל להחזיק עד 10 אמפר במתח של 250v.

הממסר דורש יחסית מעט מאוד מתח להפעלה, לכן הוא מצוין לשימוש בארדואינו שמסוגל להעביר לו עד 5v.

מומלץ לשים לב עם אילו מתחים הממסר שלך פועל כדי לוודא שהוא יעבוד עם הארדואינו.