אלקטרוניקה ומחשבים – יצחק, ברקת ושוהם כהן אתר מגמת אלקטרוניקה ומחשבים
ממסר (Relay) – מתג אלקטרוני
תוכן עניינים
- 1 ממסר (Relay) – מתג אלקטרוני
- 1.1 היכרות עם הרכיב – מה זה בעצם ממסר?
- 1.2 למה אנחנו בכלל צריכים ממסר?
- 1.3 מבנה הממסר – צד שולט וצד נשלט (NO / NC / COM)
- 1.4 עיקרון הפעולה – ההיבט החשמלי חשוב מאוד להסביר לבוחן!!
- 1.5 עיקרון הפעולה – ההיבט הפיזיקלי חשוב מאוד להסביר לבוחן!!
- 1.6 חיבורים לבקר (Arduino / ESP32 וכו’)
- 1.7 רואים – ומבינים – סרטון הסבר מפורט
- 1.8 בוחן בדיקת ידעת החומר
היכרות עם הרכיב – מה זה בעצם ממסר?
דמיינו מתג רגיל בבית – כזה שמדליק ומכבה מנורה. כשלוחצים עליו, המעגל נסגר והמנורה נדלקת. כשמשחררים, המעגל נפתח והמנורה נכבית. עכשיו דמיינו שאנחנו רוצים ש־מיקרו־בקר (למשל: Arduino, ESP32 או כל בקר אחר) יהיה זה שיחליט מתי המתג ייסגר ומתי ייפתח.
כאן מתחילה הבעיה:
המיקרו־בקר עובד במתח נמוך ועם זרמים קטנים מאוד, והוא לא אמור – וגם לא יכול – להתחבר ישירות למנורה, למאוורר או לכל עומס חזק אחר.
בדיוק בשביל זה קיים הממסר (Relay) – הממסר הוא מתג חשמלי שמופעל לא על־ידי יד אדם, אלא על־ידי אות חשמלי קטן שמגיע מהמיקרו־בקר. אות קטן אחד גורם לממסר לפתוח או לסגור מעגל אחר – חזק בהרבה.
הרעיון פשוט אבל חכם:
המיקרו־בקר נותן פקודה עדינה, והממסר מבצע במקומו פעולה משמעותית בעולם האמיתי – להדליק, לכבות, לחבר או לנתק עומס חשמלי. החשיבות הגדולה של ממסר היא לא רק בעוצמה – אלא גם בבטיחות.
הממסר יוצר הפרדה ברורה בין:
א. עולם הבקרה (מתח נמוך, מיקרו־בקר, אלקטרוניקה עדינה)
ב. עולם ההפעלה (מתח וזרם גבוהים, מנועים, תאורה, ציוד חשמלי)
כך המיקרו־בקר שולט – אבל לא נחשף לסכנה.
למה אנחנו בכלל צריכים ממסר?
אחרי שהבנו מהו ממסר, עולה שאלה טבעית: למה בכלל צריך אותו, ולמה אי אפשר לחבר הכול ישירות למיקרו־בקר? כאן חשוב לעצור ולהבין את מגבלות העולם שבו המיקרו־בקר חי.
המיקרו־בקר עובד בעולם עדין. היציאות שלו מיועדות לאותות בקרה בלבד – מתחים נמוכים וזרמים קטנים, שמתאימים ללדים, חיישנים ורכיבים אלקטרוניקה זעירים.
לעומת זאת, העולם האמיתי עובד אחרת: מנורות, מאווררים, משאבות, מנועים וציוד חשמלי דורשים מתחים גבוהים וזרמים משמעותיים, הרבה מעבר למה שמיקרו־בקר יכול או אמור לספק.
כאשר מנסים לחבר עומס כזה ישירות ליציאת המיקרו־בקר, מתעוררות בעיות. הרכיב לא יעבוד כמו שצריך, היציאה עלולה להינזק, ובמקרים מסוימים אף עלול להיגרם נזק חמור לבקר עצמו.
לדוגמה, מיקרו־בקר כמו ESP32 עובד במתח של כ־3.3 וולט ומסוגל לספק זרם קטן מאוד דרך היציאות שלו. אם ננסה להפעיל בעזרתו משאבה שעובדת במתח של 12 וולט ודורשת זרם של כ־2 אמפר, ברור שהמיקרו־בקר לא יוכל לספק לא את המתח ולא את הזרם הדרושים. במצב כזה המשאבה פשוט לא תעבוד, ובנוסף לכך יציאת המיקרו־בקר עלולה להינזק ואף להיהרס.
בדיוק בנקודה הזו הממסר נכנס לתמונה. הממסר מאפשר לנו לתת למיקרו־בקר רק “להחליט”, בעוד שהפעולה החשמלית עצמה מתבצעת על־ידי הממסר. כלומר, המיקרו־בקר שולט – אבל הממסר הוא זה שמתמודד בפועל עם המתח והזרם.
יתרון חשוב נוסף של הממסר הוא ההפרדה החשמלית שהוא יוצר. אין חיבור ישיר בין מעגל הבקרה למעגל העומס, ולכן גם אם בצד העומס יש מתח גבוה – המיקרו־בקר נשאר מוגן ובטוח בצד שלו.
אם נסכם זאת במשפט אחד, שאפשר לומר גם לבוחן:
משתמשים בממסר כדי לאפשר למיקרו־בקר לשלוט בעומסים חזקים ובמתחים גבוהים, בצורה בטוחה ומבודדת.
מבנה הממסר – צד שולט וצד נשלט (NO / NC / COM)
אחד הבלבולים הגדולים ביותר אצל תלמידים וסטודנטים הוא ההבנה שממסר מחולק לשני עולמות שונים לגמרי, שלמרות שהם נמצאים באותו רכיב – הם לא מחוברים חשמלית זה לזה.
לממסר יש שני צדדים ברורים: צד אחד שמקבל פקודה, וצד שני שמבצע פעולה.
הצד השולט – צד הבקרה
זהו הצד שמחובר למיקרו־בקר, והוא עובד במתח נמוך ובזרמים קטנים. בצד הזה אנחנו לא מפעילים מנועים ולא מנורות – אלא רק “אומרים לממסר מה לעשות”.
בצד השולט נמצאות בדרך כלל שלוש רגליים עיקריות:
1. VIN רגל מתח ההפעלה של הממסר. כאן מספקים לממסר את המתח הדרוש לו כדי לפעול. המתח הזה תלוי בסוג הממסר, אך לרוב יהיה 5 וולט או 3.3 וולט.
2. S (Signal) רגל השליטה. זו הרגל שדרכה המיקרו־בקר מחליט אם הממסר יהיה פתוח או סגור.כאשר מגיע לרגל הזו אות לוגי מתאים – הממסר משנה מצב.
3. GND אדמה. רגל זו סוגרת את מעגל הבקרה ומאפשרת לזרם לזרום בצורה תקינה בצד השולט.
חשוב להדגיש:
בצד השולט לא זורם זרם גדול, ולא מחובר שום עומס חזק. זהו צד “עדין”, שמטרתו שליטה בלבד.
הצד הנשלט – צד העומס
זהו הצד שבו מתבצעת הפעולה בפועל. כאן מחברים את המנורה, המנוע, המשאבה או כל עומס אחר – גם אם הוא עובד במתח וזרם גבוהים.
בצד הנשלט נמצאים שלושה חיבורים מוכרים:
1. COM (Common) המגע המשותף.
2. NO (Normally Open) מגע פתוח במצב רגיל.
א. כאשר הממסר לא מופעל: המעגל פתוח ואין זרם.
ב. כאשר הממסר מופעל: המגע נסגר והזרם מתחיל לזרום.
דוגמה: נשתמש ב־NO כאשר נרצה שמכשיר יהיה כבוי כברירת מחדל, ויפעל רק כאשר המיקרו־בקר נותן פקודה. (משאבה שמתחילה לעבוד רק כאשר מתקבל חיווי מתאים מהבקר.)
3. NC (Normally Closed) מגע סגור במצב רגיל.
א. כאשר הממסר לא מופעל: המעגל סגור והזרם זורם.
ב. כאשר הממסר מופעל: המעגל נפתח והזרם נפסק.
דוגמה: נשתמש ב־NC כאשר חשוב לנו שהמכשיר יעבוד תמיד, וייפסק רק במקרה של פקודה או תקלה. (מאוורר קירור שעובד כל הזמן, ונכבה רק כאשר המיקרו־בקר מחליט לעצור אותו.)
כאן חשוב לעצור ולהבין:
המונחים NO ו־NC מתייחסים למצב של הממסר כאשר אין עליו פקודת הפעלה.
סדר בראש – איך מסבירים את זה לבוחן
לממסר יש צד שולט שמקבל פקודה ממיקרו־בקר, וצד נשלט שמחובר לעומס.
כאשר הממסר לא מופעל – המגעים נמצאים במצבם הרגיל NO פתוח ו־NC סגור.
כאשר הממסר מופעל – דרך רגל השליטה, המגעים מתהפכים NO נסגר ו־NC נפתח.
עיקרון הפעולה – ההיבט החשמלי
חשוב מאוד להסביר לבוחן!!
כדי להבין איך ממסר עובד באמת, צריך להפריד בין מה שהמיקרו־בקר עושה לבין מה שקורה במעגל החשמלי של הממסר:
המיקרו־בקר עצמו לא מפעיל מנוע, לא מנורה. הוא בסך הכול מוציא אות בקרה – 0 או 1 לוגי.
העבודה החשמלית האמיתית מתבצעת בתוך הממסר, בעזרת רכיבים פנימיים. אחד הרכיבים המרכזיים שנמצאים בתוך הממסר הוא טרנזיסטור, שתפקידו לשמש כמתג חשמלי הנשלט על־ידי המיקרו־בקר.
כאשר המיקרו־בקר מוציא 1 לוגי לרגל השליטה (S)
הזרם שיוצא מהפין אינו זורם ישירות לסליל. במקום זאת, הוא נכנס לרגל הבסיס של טרנזיסטור שנמצא בממסר ומשמש כמתג חשמלי.
הזרם הזה הוא זרם נמוך מאוד, שתפקידו אינו להפעיל את הסליל, אלא רק לשלוט במצב ההולכה של הטרנזיסטור.
במצב זה הטרנזיסטור נכנס למצב רוויה, כלומר הוא נסגר מבחינת הולכה.
משמעות הדבר היא שנוצר מעבר זרם בין הקולקטור לאמיטר, והזרם יכול כעת לזרום דרך סליל הממסר.
הסליל מקבל את מתח ההפעלה שלו דרך רגל ה־VIN, והמעגל החשמלי של הסליל נסגר.
ברגע שזורם זרם דרך הסליל, הוא הופך לסליל פעיל ומתנהג כמגנט חשמלי, וכתוצאה מכך נמשך חלק מתכתי בתוך הממסר.
כלומר, מבחינה חשמלית קורה כאן רצף ברור: המיקרו־בקר שם 1 לוגי ברגל הבסיס ומאפשר זרם נמוך מאוד, הטרנזיסטור נסגר מבחינת הולכה, נוצר מעבר זרם דרך הסליל, והסליל מוזן במתח ובזרם המתאימים לו.
כאשר המיקרו־בקר מוציא 0 לוגי לרגל השליטה
המצב מתהפך. אין זרם לבסיס הטרנזיסטור, הטרנזיסטור נמצא במצב קיטעון, ואין הולכה בין הקולקטור לאמיטר. כתוצאה מכך הזרם לסליל נפסק, המעגל החשמלי שלו נפתח, והוא מפסיק להתנהג כמגנט.
נקודה חשובה מאוד להבנה היא תפקידו של הטרנזיסטור. המיקרו־בקר לא מסוגל לספק זרם מספיק להפעלת סליל, ולכן הטרנזיסטור משמש כמתווך. הוא מאפשר למיקרו־בקר לשלוט בזרם גדול יותר, מבלי שהזרם הזה יעבור דרך יציאות הבקר עצמו.
במילים אחרות, מבחינה חשמלית: המיקרו־בקר שולט בטרנזיסטור באמצעות זרם קטן לבסיס, הטרנזיסטור שולט בזרם של הסליל באמצעות סגירה או פתיחה של ההולכה, והסליל הוא זה שמוזן חשמלית בתוך הממסר.
הדיודה – למה היא קיימת ומה התפקיד שלה?
הסליל שבממסר הוא רכיב מיוחד: כל עוד זורם בו זרם, הוא עובד רגיל. אבל ברגע שמכבים את הממסר ומפסיקים את הזרם, מתרחש משהו חשוב שצריך להכיר. כאשר הזרם לסליל נפסק, השדה המגנטי שנוצר בו נעלם בפתאומיות. כתוצאה מכך נוצר מתח רגעי גבוה, שיכול לפגוע בטרנזיסטור או ביציאת המיקרו־בקר. כדי למנוע את זה, מוסיפים דיודה.
הדיודה מחוברת במקביל לסליל, ובזמן פעולה רגיל היא לא עושה כלום. אבל ברגע שהממסר נכבה ונוצר המתח המסוכן, הדיודה “קולטת” אותו ומאפשרת לזרם להשתחרר בצורה בטוחה דרך הסליל עצמו.
במילים פשוטות: הדיודה מגינה על המעגל בזמן כיבוי הממסר, ושומרת על הטרנזיסטור ועל המיקרו־בקר.
משפט קצר וברור לבוחן: הדיודה מונעת נזק שנוצר כתוצאה מקריסת השדה המגנטי של הסליל בזמן ניתוק הזרם.
עיקרון הפעולה – ההיבט הפיזיקלי
חשוב מאוד להסביר לבוחן!!
אחרי שהבנו מה קורה מבחינה חשמלית בסליל של הממסר, אפשר סוף סוף לשאול: מה זה עושה בפועל? מה באמת קורה בתוך הממסר?
כאשר זורם זרם חשמלי דרך הסליל, הסליל אינו “סתם חוט”. הוא מתנהג כרכיב פיזיקלי חשוב מאוד: אלקטרומגנט.
כלומר, הזרם שזורם בסליל יוצר סביבו שדה מגנטי. ככל שיש זרם בסליל, השדה המגנטי קיים ופועל.
בתוך הממסר, סמוך לסליל, נמצא חלק מתכתי נייד (עוגן).
ברגע שהסליל הופך למגנט, השדה המגנטי שנוצר מושך את החלק המתכתי הזה אליו. התנועה הזו היא תנועה פיזית אמיתית – לא אלקטרונית ולא לוגית. החלק המתכתי זז, ובמהלך התנועה הזו הוא גורם ל־מגעים החשמליים של הממסר לשנות מצב.
במצב זה:
א. מגע שהיה פתוח נסגר.
ב. ומגע שהיה סגור נפתח.
וכך נסגר או נפתח המעגל החיצוני שאליו מחוברים המנורה, המנוע או כל עומס אחר.
כאשר המיקרו־בקר מפסיק את האות, והזרם בסליל נפסק, השדה המגנטי נעלם. ברגע שאין שדה מגנטי, החלק המתכתי כבר לא נמשך לסליל, וקפיץ קטן שנמצא בממסר מחזיר אותו למקומו המקורי.
כתוצאה מכך:
א. המגעים חוזרים למצב הרגיל שלהם.
ב. והמעגל החיצוני נפתח או נסגר בהתאם לחיבור (NO או NC).
כלומר, מבחינה פיזיקלית קורה כאן רצף ברור מאוד:
זרם בסליל ← נוצר שדה מגנטי ← החלק המתכתי נמשך ← המגעים זזים ← המעגל החיצוני משתנה.
ובדיוק בגלל זה ממסר נקרא רכיב אלקטרו־מכני: הפקודה מגיעה מעולם האלקטרוניקה, אבל הביצוע מתבצע באמצעות תנועה מכנית שנגרמת על־ידי מגנטיות.
משפט זהב לבוחן אפשר לסכם את העיקרון הפיזיקלי כך:
כאשר זורם זרם בסליל של הממסר, הוא יוצר שדה מגנטי שמושך חלק מתכתי וגורם למגעים החשמליים לשנות מצב. כאשר הזרם נפסק, השדה המגנטי נעלם והקפיץ מחזיר את המגעים למצבם הרגיל.
מפרט טכני
כמו כל רכיב אלקטרוני, גם לממסר יש מפרט טכני שחשוב להכיר לפני שמשתמשים בו בפרויקט. המפרט הטכני מאפשר לנו לדעת באילו תנאים הממסר יכול לעבוד בצורה תקינה ובטוחה.
1. מתח הזנה (V): מתח ההפעלה של הממסר בצד הבקרה. בממסרים נפוצים ללימוד ולעבודה עם מיקרו־בקרים, מתח זה הוא לרוב כ־5 וולט או כ־3.3 וולט, בהתאם לדגם. מתח זה מיועד להפעלת הסליל דרך מעגל הבקרה.
2. זרם עבודה (mA): זהו הזרם שזורם בסליל של הממסר בזמן הפעלה. זרם זה גבוה יחסית ליכולת היציאה של מיקרו־בקר, ולכן נעשה שימוש בטרנזיסטור פנימי או חיצוני. הערך המדויק משתנה בין דגמי ממסרים שונים.
3. טווחי פעולה: בממסר אין טווח מדידה כמו בחיישנים, אך קיימים גבולות ברורים של עבודה – מתח וזרם מקסימליים בצד העומס שאותם מותר לממסר למתג. חריגה מערכים אלה עלולה לגרום לנזק לממסר או לסיכון בטיחותי.
4. תדרים / פרוטוקול תקשורת: לממסר אין פרוטוקול תקשורת כמו I2C, UART או SPI. השליטה בו מתבצעת באמצעות אות דיגיטלי פשוט (0 או 1 לוגי), המגיע מרגל יציאה של המיקרו־בקר.
חיבורים לבקר (Arduino / ESP32 וכו’)
חיבור ממסר למיקרו־בקר מתבצע דרך הצד השולט של הממסר, והוא כולל שלוש רגליים עיקריות:
VIN – רגל מתח ההפעלה של הממסר. רגל זו מחוברת למתח המתאים לפי הממסר (לרוב 5V או 3.3V).
S (Signal) – רגל השליטה. רגל זו מחוברת ליציאת GPIO של המיקרו־בקר, והיא קובעת האם הממסר יהיה מופעל או כבוי.
GND – אדמה. רגל זו מחוברת לאדמה של המיקרו־בקר ומשמשת לסגירת מעגל הבקרה.
לאחר חיבור צד הבקרה, מחברים את צד העומס של הממסר (COM, NO, NC) לעומס הרצוי, בהתאם לאופן הפעולה המבוקש.
דוגמא לשימוש
במידה ורוצים להפעיל בבית מנורה שעובדת במתח של 220v ולשלוט עליה באמצעות הארדואינו, ניתן לעשות זאת באמצעות ממסר, הממסר ישמש לנו כמתג אלקטרוני, כאשר הממסר סגור, המעגל נסגר והמנורה מתחילה לעבוד, כאשר הממסר פתוח, המעגל פתוח והמנורה לא עובדת.
קוד הפעלה:
יש לשים לב שבדוגמא זו רגל הבקרה (in) של הממסר לארדואינו ברגל 2.
void setup()
{
pinMode(2,OUTPUT); // הגדרת רגל 2 בתור יציאה
}
void loop()
{
digitalWrite(2,1); // סגירת המתג
delay(1500); // השהייה של 1.5 שניות
digitalWrite(2,0); // פתיחת המתג
delay(1500); // השהייה של 1.5 שניות
}
רואים – ומבינים – סרטון הסבר מפורט
הכנו עבורכם סרטון קצר וברור שממחיש את כל מה שלמדנו כאן: מה עושה הסליל, איך נוצר השדה המגנטי, ואיך הממסר פותח וסוגר מעגל. צפייה בסרטון תעזור להבין את הממסר באמת – גם אם זו הפעם הראשונה שאתם נתקלים ברכיב הזה.
בוחן בדיקת ידעת החומר
רוצים להגיע מוכנים לבוחן החיצוני? הבוחן הבא מרכז בדיוק את סוג השאלות שבוחנים אוהבים לשאול על ממסר – מהעיקרון החשמלי ועד ההבנה הפיזיקלית.
אם תעברו אותו בהצלחה, תגיעו לבוחן עם ביטחון.
