リレーモジュールの使い方｜Raspberry Pi・Arduino（ESP32）
この記事では、リレーモジュールをRaspberry Piで制御する方法を解説します。リレーモジュールが使えるようになれば、家電製品のIoT化ができたり既存の製品を有効活用できます。ただし、初めてのリレーモジュールでいきなりコンセントのAC100Vを扱うのは大変危険です。 ここではまず、豆電球のような事故のない電子部品を使ってリレーモジュールを扱ってみます。
リレーモジュールの使い方
はじめに、リレモジュールの使い方を確認していきましょう。ここでは、Raspberry Piを使わずにリレーモジュールを動かしていきます。リレーモジュールが動作する仕組みをしっかりつかみましょう。
つかうもの
リレーモジュールはこちらのWayinTopの「JQC-3FF-S-Z」リレーを搭載したものを使用しました。
▼ もっと複数チャンネル使いたい場合はリレーアレイが便利です。本記事の内容が理解できればこれらの製品を扱えます。
これらのリレーモジュールは、フォトカプラをドライブすることでリレーのスイッチが切り替わる仕組みです。フォトカプラを使うと、制御対象のデバイスとマイコンを絶縁できるメリットがあります。また、フォトカプラの使い方は SonyのデジイチをM5StickC PLUSでリモート操作できるようにしてみた をご覧ください。
▼ また、1から作るのが面倒な方や100V電源を扱うのに自信がない方は、「スマートプラグ」を使うと良いです。
リレーを動かしてみよう
図のように配線を組んで、実際にリレーを動かしてみました。皆さんも回路を組んで実際に遊んでみることをおすすめします。
- スイッチを通じてプラス5Vを、リレーモジュールのINへ繋ぐ
- DCマイナスは電源のマイナス端子へ繋ぐ
- DCプラスは直接プラス5Vを繋ぐ
上記のように配線したら、スイッチのオンオフを切り替えてみましょう。スイッチを切り替えるたびに、ウィンカーみたいなカチカチ音が聞こえたでしょうか？これはリレーのスイッチが切り替わる音です。この音が聞こえればリレーは正しく動作できてます。次はこの回路に豆電球を取り付けて光らせてみましょう。
豆電球をリレーで光らせよう
次に豆電球を用意して、リレー制御で光らせてみましょう。図のように電池と豆電球をリレーモジュールに繋ぎました。
COMとNOに豆電球を繋いだ場合、スイッチをオンにすると豆電球が光り、スイッチをオフにすると消灯します。 つまり、スイッチをオンにすることでリレーモジュールのCOMとNOが導通します。
それでは、COMとNCに豆電球を繋ぎ変えてみましょう。今度はスイッチをオンにすると豆電球は消灯し、スイッチをオフにすると光るようになりました。
ここまでの動作から次のことがまとめられます。
- COM（コモン）共通の端子
- NO（ノーマリーオープン）は、リレーコイルに電流が流れていない時にCOMとの間が開いている
- NC（ノーマリークローズ）は、リレーコイルに電流が流れていない時にCOMとの間が閉じている
Raspberry Piでリレーモジュールを使う
それではこれからRaspberry Piを使ってリレーモジュールを動かしていきます。なお、Raspberry Piのセットアップは Raspberry Pi zero WHをモニター・キーボードなしでSSH接続するまで をご覧ください。
▼ なお、本記事ではRaspberry Pi zero WHを使用しましたが、みなさんはお好きなRaspberry Piをお使いください。
トリガーの仕様
今回使用したリレーモジュールのトリガー（IN）へ流す電流は、5mA程度あれば十分です。また電圧は3〜5Vの範囲で入力が可能です。 Raspberry PiのGPIOは1つあたり10mA程度まで電流を出力できます。そして全体で30mA程度までとなります。また、GPIOの出力電圧は3.3Vです。 たくさんのリレーを繋ぐときは消費電流に気をつけましょう。今回はひとつだけの実験ですので、GPIOを直接リレーモジュールのトリガーへ繋ぎました。 ちなみに今回使用したリレーモジュールはジャンパピンが存在し、Low側にするとトリガー電圧を0〜1.5Vに変更できるようになっていました。
Raspberry Piとリレーモジュールの配線
こちらがRaspberry Piとリレーモジュールの配線図になります。GPIO17をリレーモジュールのトリガーへ繋ぎました。
豆電球をリレーモジュールで点滅させるPythonプログラム
リレーモジュールで豆電球を点滅させるプログラムをPythonで書いてみました。車のウインカーと同じような速さでスイッチがオンオフする演出をしてみました。
import RPi.GPIO as GPIO
from time import sleep
RELAY_PIN = 17
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(RELAY_PIN, GPIO.OUT)
while True:
GPIO.output(RELAY_PIN, True)
sleep(0.35)
GPIO.output(RELAY_PIN, False)
sleep(0.35)いかがだったでしょうか？うまくリレモジュールは動きましたでしょうか？ リレーモジュールの仕組みが分かれば動かすのはとても簡単です。また、豆電球を光らすことができればAC100Vのコンセントも同じ要領で制御できるはずです。ただし、くれぐれも事故がないよう配線などに十分注意してくださいね。
▼ リレーモジュールを使って、電磁弁をオンオフして水道の止水制御をやってみました。
Arduino（ESP32）でリレーモジュールを使う
ここからはArduinoの互換機であるESP32で、リレーモジュールをつかう方法を解説します。
つかうもの
リレーモジュール
5個セットで格安なこちらのリレーモジュールを使いました。
リレーモジュールのスペック・仕様
| 項目 | 値 |
|---|---|
| 制御信号 | TTL |
| トリガー電流 | 5mA |
| 動作電圧 | 5V |
| 最大負荷 | AC 250V/10A、DC30V/10A |
| 最大スイッチ電圧 | 250VAC、30V |
| トリガー電圧 | 0-1.5V（Low）または 3-5V（High） |
ArduinoやESP32、Raspberry Piなどでこのリレーモジュールをつかう場合は、トリガー電圧は3.3V〜5VになりますのでジャンパピンをH側にセットします。
ESP32
WayinTopさんから販売されているESP32を使用しました。技適マークも刻印されてますので、安心して国内で使えます。GPIOの役割図は 商品ページ に詳しく掲載されてます。
▼ WiFiやBluetooth接続が必要なければ、他のArduinoでも構いません。こちらの記事で色々な種類のArduinoをご紹介してます。
その他
また、ブレッドボードやジャンプワイヤもあると便利です。
リレーモジュールのおさらい
前半で紹介したリレーモジュールの使い方のおさらいです。
リレーモジュールの端子役割は次の通りです。
| 端子 | 意味 | 説明 |
|---|---|---|
| COM | コモン | 共通の端子 |
| NO | ノーマリーオープン | リレーコイルに電流が流れていない時にCOMとの間が開いている |
| NC | ノーマリークローズ | リレーコイルに電流が流れていない時にCOMとの間が閉じている |
| IN | トリガー | Highの入力信号を与えればリレーコイルが動作する |
| DC- | リレーコイルの電源 | GND |
| DC+ | リレーコイルの電源 | 5V |
上図の左側に制御したい機器をつなぎます。右側にはリレーコイル用の5V電源をつないで、マイコンボードのGPIOピンでIN端子を制御します。上図では、制御信号をSW（スイッチ）として表現してます。 リレーコイルを通電させた時の消費電流を測定してみると、5Vで70mA程度でした。
ESP32とリレーモジュールの配線
ESP32とリレーモジュールの配線です。リレーモジュールの使い方があいまいな方は、いきなり家電などのAC100Vを接続しないようにしてください。配線間違いを起こして機材が壊れる可能性がありますし、危険です。
ここではLEDを使って、ESP32内蔵の5V電源で動かしてみることにします。
「ウインカー風Lチカ」するソースコード
次のソースコードは、一定間隔でリレーモジュールをオンオフするだけのシンプルなプログラムです。
/**
* @date 2022-11-24
* @author Toshihiko Arai
* @copyright https://101010.fun
* @brief ESP32とリレーモジュールを使って、ウインカー風にLチカするプログラム
*/
#include <Arduino.h>
/**
* @brief Relay <--> ESP32 の配線
* DC+ <--> 5V
* DC- <--> GND
* IN <--> GPIO14
* COM <--> 330Ω--LED--5V
* NO <--> GND
*/
#define TRG_PIN 14
void setup() {
Serial.begin(115200);
pinMode(TRG_PIN, OUTPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(TRG_PIN, HIGH);
delay(350);
digitalWrite(TRG_PIN, LOW);
delay(350);
}実際にESP32とリレーモジュールを配線して、上記のプログラムを実行した様子を下の動画でご覧いただけます。
リレーのオンオフされる音が、ウインカーにそっくりなんですよね。実際に、昔のウインカーはリレーで動かしていたため、あのような音になっていたそうです。今では電子制御らしく、わざわざスピーカーでウインカー音を鳴らしているのだとか。それにしてもウインカーの音ってなぜか心地よいですよね。癒されます♪
リレーモジュールの応用として、電磁弁をオンオフして水道の止水制御をやってみました。
