CAO-11: El uso de relés en Arduino.

Reles de 5v para Arduino

Para nuestro proyecto de Control de Acuarios por Ordenador (CAO) necesitaremos relés capaces de  activar los distintos elementos eléctricos que deseemos controlar.

En el mercado existen una diversidad de placas de relés para Arduino. La información sobre su uso y sus características no siempre vienen explicadas con el detalle necesario para un nivel amateur, lo cual aumenta el riesgo de comprar algo diferente de lo que uno pretendía. Afortunadamente, gracias a la sencillez de los circuitos y a la economía de sus componentes, no resulta descabellado construirse uno mismo su propia placa de relés a la medida de las propias necesidades.

Para montar circuitos electrónicos no hace falta tener muchos conocimientos de electrónica y ese es exactamente mi caso. Debes tomar todo lo que digo como puramente testimonial. Yo comento los resultados de lo que he logrado hacer funcionar, pero de teoría voy muy justito. Dado que aquí vamos a usar transistores con diferentes características quizás a ti te interese profundizar un poco más sobre la teoría de este componente electrónico. Si ese es el caso echa un vistazo a este manual: El mundo del automatismo electrónico.

El uso de relés en Arduino no tiene mucho misterio. Basta con localizar relés que se activen con tensiones de 5 voltios que son las que entregará Arduino a la salida y  para no sobrecarcar la salida de Arduino tendremos que usar un transistor capaz de entregar al relé la corriente necesaria.

 El factor Intensidad de corriente:

La corriente que puede entregar Arduino es muy débil. Aquí usamos los transistores como amplificadores de corriente contínua.  Arduino entrega como máximo 40 mA en cada pin de salida. Poner una carga mayor podría dejar ese pin permanentemente averiado.

Con el Transistor 2N2222A podremos cargar hasta 120 mA con un 2N2221A podríamos cargar hasta 300 mA, y con un BD-243 podríamos cargar hasta 6A, es un transistor muy barato y muy utilizado. Es capaz de disipar 65W.  Por su bajo precio, estamos usando el transistor BD-243, para activar el relé  OMRON G2R-1C 5v capaz de conmutar corrientes de 10A.

 El relé, TQ2-5V no es capaz de conmutar más que 1A.

En la figura de cabecera podemos ver un esquema electrónico con dos circuitos de conmutación para Arduino que únicamente se diferencian el el uso de componentes capaces de manejar más o menos carga.

He añadido un diodo led a cada circuito porque es útil señalizar el estado de los pines que controlan los relés.

En el caso de los transistores nos valen transistores NPN de propósito general, y los modelos referidos al ser muy usados son muy baratos.

Para pequeñas cantidades no hay una gran diferencia de precio entre el 2N2222A y el BD-243. Tampoco hay grandes diferencias de precio entre los relés de 1A y de 10A que hemos referido.

En el caso de que deseemos controlar potencias superiores a 2200 vatios, por ejemplo usando la regla de 1 vatio/litro, para controlar calefactores de un acuario de 300 litros, tendremos que usar un relé más potente y posiblemente tengamos que activarlo con más de 5 voltios. Algunos se activan usando 220 voltios. Es decir que tendríamos que usar dos relés en cascada, el primero de baja potencia se usaría para activar al relé más potente.

Circuito para conmutación de corrientes de hasta 1A:

Relé TQ2-5V (1A)

Transistor NPN 2N2222A_ (TO-92)

El circuito de baja potencia capaz de conmutar corrientes de 1A al no ser capaz de soportar grandes cargas ni tensiones elevadas, resultaría adecuado para activar dispositivos tales como motorcitos de corriente continua, iluminación LED nocturna, etc. Típicamente se usaría para dispositivos eléctricos de bajo consumo alimentados con corriente continua de por ejemplo: 9, 12 o 24 voltios.

Este circuito para conmutar corrientes de escasa intensidad usa un transistor NPN 2N2222A y un mini-relé TQ2-5V.

Este relé me dió problemas hasta que descubrí que, a diferencia de otros relés, su bobina solo puede ser polarizada en un único sentido. La lista de componentes sería la siguiente:

• 1 Relé TQ2-5V
• 1 Transistor 2N2222a (o 2N2221a)
• 1 Diodo rectificador 1N4007
• 1 Diodo LED de bajo consumo
• 2 Resistencias de 1 K Ohm

Circuito para conmutación de corrientes de hasta 10A:

Relé OMRON G2R-1C 5v (10A)

Este segundo circuito de mayor potencia, muy similar al anterior, es capar de conmutar corrientes de 10A y manejar tensiones de 220 voltios.

Es decir puede conmutar potencias de hasta 2200 vatios.

Las únicas desventajas respecto al circuito anterior de baja potencia es que la conmutación en este es  más lenta y que el relé  tiene un tamaño mayor, pero no es previsible que ninguna de estas desventajas tengan la menor importancia para nuestro proyecto.

Este circuito para conmutación de corrientes de hasta 10A usa un transistor NPN BD-243 de mayor potencia que el anterior y un Relé OMRON de 5v. La lista de componentes sería la siguiente:

• 1 Relé OMRON G2R-1C 5v 
  
• 1 Transistor BD-243
  
• 1 Diodo rectificador 1N4007
• 1 Diodo LED de bajo consumo
• 2 Resistencias de 1 K Ohm

Precauciones en el uso de relés para el control de la temperatura de un acuario:

No es conveniente usar los relés al máximo de su capacidad porque a intensidades elevadas se acortaría su vida de trabajo.  Corrientes elevadas durante un tiempo corto pueden provocar chispas que en casos extremos pueden dejar los contactos del relé permanentemente soldados. En el caso de la calefacción del acuario no que remos que eso ocurra bajo ningún concepto, porque supondría dejar permanentemente conectado el elemento calefactor y la temperatura alcanzaría valores que matarían a todos los peces y plantas convirtiendo el acuario en una sopa de pescado con verduras.

En tales casos es recomendable usar elementos que aguanten el doble de carga de la que finalmente deban controlar como margen de seguridad. También conviene que el control de la temperatura sea tal que los relés no reaccionen a cambios de temperatura demasiado pequeños. De lo contrario, los relés estarían continuamente conectando y desconectando.

Oscilaciones de medio grado en la temperatura de un acuario no solo son tolerables sino deseables para evitar riesgos por sobrecarga de trabajo en los relés.

Todos los termostatos para las distintas aplicaciones industriales tienen un valor de histéresis (valor que introduce inercia en el estado de un conmutador) que nosostros tendremos que programar en nuestro software en función de la sensibilidad del sensor para evitar un excesivo trabajo de conmutación del sensor.

Dado que hemos mencionado el concepto de histéresis, avanzaremos que en nuestro software este será un parámetro ajustable y que para la calefacción podría tener un valor por defecto de 0.2 ºC lo cual significa que para la temperatura ideal (+/-) 0.2 ºC no ocurriría ningún cambio en el estado del relé que gobierne el elemento calefactor.

Per ejemplo: Para una temperatura de acuario de 27.5 ºC el relé conectariá el calefactor por debajo de los 27.3 ºC y lo desconectaría por encima de los 27.7 ºC.

Código de prueba muy sencillo para relés:

Lo primero que desearás hacer cuando dispongas una placa de relés para tu Arduino será probarla. Lo único que tendrás que hacer es indicar en el sencillo programita que pongo a tu disposición es indicar en que pin de salida debe de empezar a testear y en cual debe terminar. Los irá probando secuencialmente, y así podrás ver si todos funcionan correctamente.

#define P1 5    
#define PF 13   

int i;

// ***  setup ****
void setup(){
    for (i=P1; i< =PF; i++){
	pinMode(i, OUTPUT);
    }
}

// *********** MAIN LOOP ***********
void loop(){
    for (i=P1; i<=PF; i++){
      digitalWrite(i, HIGH);
      delay(2000);
      digitalWrite(i, LOW);
    }
}

Conclusiones:

Yo tengo ahora una pequeña placa de relés con los dos tipos de relés que acabo de mencionar, porque deseaba probar ambos, pero los componentes que hemos referido costarían en ambos casos casi lo mismo (en torno a 2.50 euros por circuito).

Por ello, en estos momentos para el proyecto CAO creo preferible montar una placa de relés de 10A que son más versátiles por tolerar mayores intensidades y tensiones de conmutación.

El número de relés a usar depende de el número de dispositivos que desees controlar.