Contrôler une bande LED avec Arduino. Arduino et MOSFET. Schéma de connexion Connexion d'une charge de 150 A à l'Arduino PWM

Les articles suivants incluront les appareils qui doivent contrôler les charges externes. Par charge externe, j'entends tout ce qui est attaché aux pattes du microcontrôleur - LED, ampoules, relais, moteurs, actionneurs... eh bien, vous voyez l'idée. Et aussi banal que soit ce sujet, afin d'éviter les répétitions dans les articles suivants, je risque quand même de ne pas être original - vous me pardonnerez :). Je vais brièvement, sous forme de recommandation, montrer les moyens les plus courants de connecter la charge (si vous souhaitez ajouter quelque chose, je n'en serai que trop heureux).
Admettons tout de suite qu’il s’agit d’un signal numérique (un microcontrôleur reste un appareil numérique) et nous ne dérogerons pas à la logique générale : 1 - inclus, 0 -éteindre. Commençons.

Les charges CC comprennent : les LED, les lampes, les relais, les moteurs CC, les servos, divers actionneurs, etc. Une telle charge est le plus simplement (et le plus souvent) connectée à un microcontrôleur.

1.1 Connexion chargesà travers une résistance.
La méthode la plus simple et probablement la plus souvent utilisée en matière de LED.

Une résistance est nécessaire pour limiter le courant circulant à travers la jambe du microcontrôleur au niveau admissible. 20mA. C'est ce qu'on appelle le ballast ou l'amortissement. Vous pouvez calculer approximativement la valeur de la résistance en connaissant la résistance de charge Rн.

Rtrempe =(5v / 0,02A) – Rн = 250 – Rн

Comme vous pouvez le constater, même dans le pire des cas, lorsque la résistance de charge est nulle, 250 Ohms suffisent pour garantir que le courant ne dépasse pas 20 mA. Cela signifie que si vous ne voulez pas compter quelque chose ici, mettez 300 ohms et vous protégerez le port des surcharges. L'avantage de la méthode est évident : la simplicité.

1.2 Connexion charges utilisant un transistor bipolaire.
S'il s'avère que votre charge consomme plus de 20 mA, alors, bien sûr, une résistance ne sera d'aucune utilité ici. Vous devez en quelque sorte augmenter (lire renforcer) le courant. Qu'est-ce qui est utilisé pour amplifier le signal ? Droite. Transistor!

Il est plus pratique à utiliser pour renforcer n-p-n transistor connecté selon le circuit OE. Avec cette méthode, vous pouvez connecter une charge avec une tension d'alimentation supérieure à celle de l'alimentation du microcontrôleur. La résistance sur la base est limitante. Elle peut varier dans une large plage (1-10 kOhm), dans tous les cas le transistor fonctionnera en mode saturation. Le transistor peut être n'importe quoi n-p-n transistor. Le gain est pratiquement sans importance. Le transistor est sélectionné en fonction du courant du collecteur (le courant dont nous avons besoin) et de la tension collecteur-émetteur (la tension qui alimente la charge). La dissipation de puissance est également importante - afin de ne pas surchauffer.

Parmi les plus courants et facilement accessibles, vous pouvez utiliser BC546, BC547, BC548, BC549 avec n'importe quelle lettre (100 mA), et même le même KT315 fera l'affaire (ceux qui ont des restes d'anciens stocks).
- Fiche technique du transistor bipolaire BC547

1.3 Connexion charges utilisant un transistor à effet de champ.
Eh bien, et si le courant de notre charge était inférieur à dix ampères ? Il ne sera pas possible d'utiliser un transistor bipolaire, car les courants de commande d'un tel transistor sont importants et dépasseront très probablement 20 mA. La sortie peut être soit un transistor composite (lire ci-dessous), soit un transistor à effet de champ (alias MOS, alias MOSFET). Le transistor à effet de champ est tout simplement une chose merveilleuse, puisqu'il n'est pas contrôlé par le courant, mais par le potentiel à la grille. Cela permet au courant de grille microscopique de contrôler des courants de charge importants.

Tout transistor à effet de champ à canal N nous convient. Nous choisissons, comme le bipolaire, par courant, tension et puissance dissipée.

Lors de la mise sous tension d'un transistor à effet de champ, vous devez prendre en compte un certain nombre de points :
- puisque la grille est en fait un condensateur, lorsque le transistor commute, des courants importants le traversent (à court terme). Afin de limiter ces courants, une résistance de limitation est placée dans la grille.
— le transistor est contrôlé par de faibles courants et si la sortie du microcontrôleur auquel la grille est connectée est dans un état Z à haute impédance, l'interrupteur de champ commencera à s'ouvrir et à se fermer de manière imprévisible, captant les interférences. Pour éliminer ce comportement, la jambe du microcontrôleur doit être « pressée » contre la terre avec une résistance d'environ 10 kOhm.
Le transistor à effet de champ, malgré toutes ses qualités positives, présente un inconvénient. Le coût du contrôle d’un courant faible est la lenteur du transistor. Bien sûr, il gérera le PWM, mais si la fréquence autorisée est dépassée, il vous répondra par une surchauffe.

1.4 Connexion charges en utilisant un transistor Darlington composé.
Une alternative à l'utilisation d'un transistor à effet de champ pour les charges à courant élevé consiste à utiliser un transistor Darlington composite. Extérieurement, il s'agit du même transistor qu'un transistor bipolaire, par exemple, mais en interne, un circuit préamplificateur est utilisé pour contrôler le puissant transistor de sortie. Cela permet à de faibles courants de piloter une charge puissante. L'utilisation d'un transistor Darlington n'est pas aussi intéressante que l'utilisation d'un assemblage de tels transistors. Il existe un microcircuit aussi merveilleux que l'ULN2003. Il contient jusqu'à 7 transistors Darlington, chacun pouvant être chargé avec un courant allant jusqu'à 500 mA, et pouvant être connectés en parallèle pour augmenter le courant.

Le microcircuit est très simple à connecter au microcontrôleur (juste broche à broche), dispose d'un câblage pratique (entrée opposée à la sortie) et ne nécessite aucun câblage supplémentaire. Grâce à cette conception réussie, l'ULN2003 est largement utilisé dans la pratique des radioamateurs. En conséquence, il ne sera pas difficile de l'obtenir.
- Fiche technique pour l'assemblage Darlington ULN2003

Si vous avez besoin de contrôler des appareils AC (le plus souvent 220v), alors tout est plus compliqué, mais pas grand-chose.

2.1 Connexion charges en utilisant un relais.
La connexion la plus simple et probablement la plus fiable consiste à utiliser un relais. La bobine du relais elle-même est une charge à courant élevé, vous ne pouvez donc pas la connecter directement au microcontrôleur. Le relais peut être connecté via un transistor à effet de champ ou bipolaire, ou via le même ULN2003, si plusieurs canaux sont nécessaires.

Les avantages de cette méthode sont un courant de commutation élevé (en fonction du relais sélectionné), une isolation galvanique. Inconvénients : vitesse/fréquence d’activation limitée et usure mécanique des pièces.
Cela n'a aucun sens de recommander quelque chose à utiliser - il existe de nombreux relais, choisissez en fonction des paramètres et du prix requis.

2.2 Connexion charges en utilisant un triac (triac).
Si vous avez besoin de contrôler une charge CA puissante, et surtout si vous avez besoin de contrôler la puissance fournie à la charge (dimères), alors vous ne pouvez tout simplement pas vous passer d'un triac (ou d'un triac). Le triac est ouvert par une courte impulsion de courant à travers l'électrode de commande (pour les demi-ondes de tension négatives et positives). Le triac se ferme lorsqu'il n'y a pas de tension dessus (lorsque la tension passe par zéro). C'est là que commencent les difficultés. Le microcontrôleur doit contrôler le moment où la tension passe par zéro et, à un moment précisément défini, envoyer une impulsion pour ouvrir le triac - c'est une occupation constante du contrôleur. Une autre difficulté est le manque d'isolation galvanique dans le triac. Il faut le faire sur des éléments séparés, ce qui complique le circuit.

Bien que les triacs modernes soient contrôlés par un courant assez faible et puissent être connectés directement (via une résistance de limitation) au microcontrôleur, pour des raisons de sécurité, ils doivent être activés via des dispositifs de découplage optique. De plus, cela s'applique non seulement aux circuits de commande du triac, mais également aux circuits de commande du zéro.

Une manière plutôt ambiguë de connecter la charge. Car, d'une part, cela nécessite la participation active d'un microcontrôleur et une conception de circuit relativement complexe. En revanche, il permet de manipuler la charge de manière très flexible. Un autre inconvénient de l'utilisation des triacs est la grande quantité de bruit numérique créé lors de leur fonctionnement : des circuits de suppression sont nécessaires.

Les triacs sont assez largement utilisés et dans certains domaines, ils sont tout simplement irremplaçables, donc les obtenir n'est pas un problème. Les triacs de type BT138 sont très souvent utilisés en radioamateur.

Pour le système Smart Home, la tâche principale est de contrôler les appareils électroménagers à partir d'un appareil de contrôle, qu'il s'agisse d'un microcontrôleur de type Arduino, ou d'un micro-ordinateur de type Raspberry PI, ou tout autre. Mais il ne sera pas possible de le faire directement, voyons comment contrôler une charge 220 V avec Arduino.

Un microcontrôleur ne suffit pas pour contrôler les circuits AC pour deux raisons :

1. A la sortie microcontrôleur un signal de tension constante est généré.

2. Le courant traversant la broche du microcontrôleur est généralement limité à 20-40 mA.

Nous avons deux options pour commuter à l'aide d'un relais ou à l'aide d'un triac. Le triac peut être remplacé par deux thyristors connectés dos à dos (c'est la structure interne du triac). Regardons cela de plus près.

Contrôler une charge 220 V à l'aide d'un triac et d'un microcontrôleur

La structure interne du triac est illustrée dans l'image ci-dessous.

Le thyristor fonctionne comme suit : lorsqu'une tension de polarisation directe est appliquée au thyristor (plus à l'anode et moins à la cathode), aucun courant ne le traversera jusqu'à ce que vous appliquiez une impulsion de commande à l'électrode de commande.

J'ai écrit Impulsion pour une raison. Contrairement à un transistor, un thyristor est un interrupteur semi-conducteur SEMI-CONTRÔLÉ. Cela signifie que lorsque le signal de commande est supprimé, le courant traversant le thyristor continuera à circuler, c'est-à-dire il restera ouvert. Pour qu'il se ferme, vous devez interrompre le courant dans le circuit ou changer la polarité de la tension appliquée.

Cela signifie que tout en maintenant une impulsion positive sur l'électrode de commande, le thyristor du circuit à courant alternatif ne transmettra que la demi-onde positive. Un triac peut faire passer le courant dans les deux sens, mais comme il se compose de deux thyristors reliés l'un à l'autre.

La polarité des impulsions de commande de chacun des thyristors internes doit correspondre à la polarité de l'alternance correspondante ; ce n'est que si cette condition est remplie qu'un courant alternatif circulera à travers le triac. En pratique, un tel schéma est mis en œuvre dans le commun .

Comme je l'ai déjà dit, le microcontrôleur produit un signal d'une seule polarité ; pour faire correspondre le signal, vous devez utiliser un pilote construit sur un optosimistor.

Ainsi, le signal allume la LED interne de l'optocoupleur, il ouvre le triac, qui fournit le signal de commande au triac de puissance T1. MOC3063 et similaires peuvent être utilisés comme optodriver, par exemple, la photo ci-dessous montre MOC3041.

Circuit de passage à zéro - circuit détecteur de transition de phase par zéro. Nécessaire pour implémenter différents types de régulateurs triac sur un microcontrôleur.

Si le circuit ne dispose pas d'optodriver, où l'adaptation est organisée via un pont de diodes, mais, contrairement à la version précédente, il n'y a pas d'isolation galvanique. Cela signifie qu'à la première surtension, le pont peut se briser et une haute tension apparaîtra au niveau de la broche du microcontrôleur, ce qui est mauvais.

Lors de l'activation/désactivation d'une charge puissante, en particulier inductive, telle que des moteurs et des électro-aimants, des surtensions se produisent, c'est pourquoi un circuit RC amortisseur doit être installé en parallèle avec tous les dispositifs à semi-conducteurs.

Relais et Arduino

Pour contrôler un relais avec un Arduino, vous devez utiliser un transistor supplémentaire pour amplifier le courant.

A noter qu'un transistor bipolaire à conduction inverse (structure NPN) est utilisé, il peut s'agir du KT315 domestique (bien-aimé et connu de tous). Une diode est nécessaire pour amortir les sursauts de champs électromagnétiques d'auto-induction dans l'inductance ; ceci est nécessaire pour que le transistor ne tombe pas en panne à cause de la tension appliquée élevée. La raison pour laquelle cela se produit sera expliquée par la loi de commutation : « Le courant dans une inductance ne peut pas changer instantanément. »

Et lorsque le transistor est fermé (l'impulsion de commande est supprimée), l'énergie du champ magnétique accumulée dans la bobine du relais doit aller quelque part, c'est pourquoi une diode inverse est installée. Encore une fois, je constate que la diode est connectée dans le sens INVERSE, c'est à dire cathode au positif, anode au négatif.

Vous pouvez assembler un tel circuit de vos propres mains, ce qui est beaucoup moins cher, et vous pouvez en utiliser un conçu pour n'importe quelle tension continue.

Ou achetez un module prêt à l'emploi ou un blindage complet avec un relais pour Arduino :

La photo montre un bouclier fait maison, en passant, il utilise le KT315G pour amplifier le courant, et ci-dessous vous voyez le même bouclier fabriqué en usine :

Conclusion

Le contrôle sûr d'une charge CA implique, tout d'abord, que toutes les informations décrites ci-dessus soient valables pour n'importe quel microcontrôleur, pas seulement pour la carte Arduino.

La tâche principale est de fournir la tension et le courant nécessaires pour contrôler le triac ou le relais et l'isolation galvanique des circuits de commande et du circuit d'alimentation CA.

En plus de la sécurité du microcontrôleur, vous vous protégez ainsi afin de ne pas subir de blessures électriques lors de l'entretien. Lorsque vous travaillez avec de la haute tension, vous devez suivre toutes les règles de sécurité, respecter le PUE et le PTEEP.

Ces schémas peuvent également être utilisés. Les triacs et les relais agissent dans ce cas comme un amplificateur intermédiaire et un égaliseur de signal. Sur les appareils de commutation puissants, les courants de commande des bobines sont importants et dépendent directement de la puissance du contacteur ou du démarreur.

Alexeï Bartosh

Le relais Arduno vous permet de connecter des appareils fonctionnant dans des modes avec des courants ou des tensions relativement élevés. Nous ne pouvons pas connecter directement des pompes puissantes, des moteurs ou même une ampoule à incandescence ordinaire à la carte Arduino - la carte n'est pas conçue pour une telle charge et ne fonctionnera pas. C'est pourquoi nous devrons ajouter un relais au circuit, que vous pourrez trouver dans n'importe quel projet. Dans cet article, nous parlerons de ce que sont les relais, à quoi ils ressemblent et comment vous pouvez les connecter à votre projet Arduino.

Un relais est une passerelle qui permet de connecter entre eux des circuits électriques avec des paramètres complètement différents. Une écluse fluviale typique relie les canaux d'eau situés à différentes hauteurs en ouvrant ou en fermant des portes. Un relais dans Arduino allume ou éteint des appareils externes, fermant ou ouvrant d'une certaine manière un réseau électrique séparé auquel ils sont connectés. À l'aide d'Arduino et de relais, nous contrôlons le processus d'allumage ou d'extinction de la même manière que nous allumons ou éteignons les lumières à la maison - en envoyant une commande de fermeture ou d'ouverture. Arduino donne un signal, et la fermeture ou l'ouverture même du circuit « puissant » sera effectuée par le relais via des mécanismes internes spéciaux. Un relais peut être considéré comme une télécommande, à l'aide de laquelle nous effectuons les actions nécessaires à l'aide de signaux relativement « faibles ».

Le relais est caractérisé par les paramètres suivants :

• Tension ou courant de déclenchement.
• Relâchez la tension ou le courant.
• Temps d'actionnement et de déclenchement.
• Courant et tension de fonctionnement.
• Résistance interne.

Selon le type de ces mécanismes de déclenchement internes et les caractéristiques de l'appareil, on peut distinguer deux groupes principaux de relais : les relais électromécaniques (commutés par un électro-aimant) et les relais statiques (commutés via des composants semi-conducteurs spéciaux).

Relais électromagnétiques et statiques

Relais électromagnétique

Un relais électromagnétique est un appareil électrique qui ferme ou ouvre mécaniquement un circuit de charge à l'aide d'un aimant. se compose d'un électro-aimant, d'un induit mobile et d'un interrupteur. Un électro-aimant est un fil enroulé sur une bobine ferromagnétique. Une plaque de matériau magnétique fait office d'ancre. Certains modèles d'appareils peuvent avoir des composants électroniques supplémentaires intégrés : une résistance pour un fonctionnement plus précis du relais, un condensateur pour réduire les interférences, une diode pour éliminer les surtensions.

Le relais fonctionne grâce à la force électromagnétique générée dans les noyaux lorsque le courant est fourni à travers les spires de la bobine. A l'état initial, le ressort maintient l'ancre. Lorsqu'un signal de commande est appliqué, l'aimant commence à attirer l'armature et à fermer ou ouvrir le circuit. Lorsque la tension est coupée, l'armature revient à sa position initiale. Les sources de tension de commande peuvent être des capteurs (pression, température, etc.), des microcircuits électriques et d'autres dispositifs fournissant un faible courant ou une basse tension.

Les relais électromagnétiques sont utilisés dans les circuits d'automatisation, lors du contrôle de diverses installations technologiques, entraînements électriques et autres appareils. Le relais est conçu pour réguler les tensions et les courants, peut être utilisé comme dispositif de stockage ou de conversion et peut également enregistrer les écarts des paramètres par rapport aux valeurs normales.

Classification des relais électromagnétiques :

• Le courant de commande peut être constant ou alternatif. Dans le premier cas, l'appareil peut être neutre ou polarisé. Pour le courant alternatif, l'armature est en acier électrique pour réduire les pertes.
• Relais d'ancre ou de roseau. Pour un type d'ancre, le processus de fermeture et d'ouverture se produit en déplaçant l'armature ; pour un interrupteur à lames, l'absence de noyau est typique ; le champ magnétique agit sur l'électrode avec des contacts.
• Performances – jusqu'à 50 ms, jusqu'à 150 ms et à partir de 1 s.
• Revêtement de protection – scellé, couvert et ouvert.

Par rapport aux dispositifs à semi-conducteurs, un relais électromagnétique présente des avantages : il est peu coûteux, commute une charge importante avec un appareil de petite taille et produit peu de chaleur sur la bobine. Les inconvénients incluent une réponse lente, du bruit et des difficultés à commuter des charges inductives.

Relais statiques

Les relais statiques sont considérés comme une bonne alternative aux relais électromagnétiques : il s'agit d'un dispositif semi-conducteur modulaire produit à l'aide de la technologie hybride. Les relais contiennent des transistors, des triacs ou des thyristors. Par rapport aux dispositifs électromagnétiques, les relais statiques présentent de nombreux avantages :

• Longue durée de vie.
• Performance.
• Petites tailles.
• Il n’y a pas de bruit parasite, d’interférence acoustique ou de bavardage de contact.
• Faible consommation d'énergie.
• Isolation de haute qualité.
• Résistant aux vibrations et aux chocs.
• Il n'y a pas de décharge d'arc, ce qui permet de travailler dans des zones explosives.

Ils fonctionnent selon le principe suivant : un signal de commande est fourni à la LED, une isolation galvanique des circuits de commande et commutés se produit, puis le signal va à la matrice de photodiodes. La tension est régulée par un interrupteur d'alimentation.

Les relais statiques présentent également plusieurs inconvénients. Premièrement, lors de la commutation, l'appareil chauffe. Une augmentation de la température de l'appareil entraîne une limitation du courant régulé - à des températures supérieures à 60 degrés, la valeur du courant diminue, la température de fonctionnement maximale est de 80 degrés.

Les relais statiques sont classés selon les critères suivants :

• Type de charge – monophasé et triphasé.
• Méthode de contrôle - la commutation se produit grâce à une tension continue, alternative ou manuelle.
• Méthode de commutation : contrôle du passage à zéro (utilisé pour les charges faiblement inductives, capacitives et résistives), commutation aléatoire (charges inductives et résistives nécessitant un actionnement instantané) et contrôle de phase (variation de la tension de sortie, régulation de puissance, contrôle des lampes à incandescence).

Relais dans les projets Arduino

Le relais le plus courant pour la carte Arduino se présente sous la forme d'un module, par exemple SONGLE SRD-05VDC. L'appareil est contrôlé par une tension de 5 V, peut commuter jusqu'à 10 A 30 V DC et 10 A 250 V AC.

Le diagramme est présenté sur la figure. Le relais se compose de deux circuits non connectés : les circuits de commande A1 et A2 et les circuits contrôlés 1, 2 et 3.

Entre A1 et A2 se trouve un noyau métallique. Si vous y faites passer un courant électrique, l'induit (2) sera attiré vers lui. 1, 3 – contacts fixes. En l'absence de courant, l'armature sera proche de la broche 3.

Connecter un relais à Arduino

Considérons un module de relais à canal unique. Il n'a que 3 contacts, ils sont connectés à l'Arduino Uno comme suit : GND – GND, VCC – +5V, In – 3. L'entrée relais est inversée, donc un niveau haut sur In éteint la bobine, et un niveau bas l'allume.

Des LED sont nécessaires pour l'indication - lorsque la LED1 rouge s'allume, une tension est fournie au relais, lorsque la LED2 verte s'allume, un court-circuit se produit. Lorsque le microcontrôleur s'allume, le transistor est désactivé. Pour l'ouvrir, il faut un moins sur la base, fourni grâce à la fonction digitalWrite(pin, LOW);. Le transistor s'ouvre, le courant circule dans le circuit et le relais fonctionne. Pour l'éteindre, un plus est appliqué à la base à l'aide de digitalWrite(pin, HIGH);.

Le schéma de raccordement des lampes et l'aspect de l'agencement sont présentés dans les figures.

La plateforme destinée aux passionnés de robotique et d’automatisation est réputée pour sa conception modulaire et sa facilité d’utilisation. Parfois, je tombe sur des publicités où l'on prétend que l'on peut assembler son propre robot sans pratiquement aucune connaissance en électronique. Mais ce n’est pas le cas.

Si certains actionneurs et mécanismes sont mal connectés, vous pouvez griller les ports Arduino (dont j'ai déjà parlé dans l'article). Et si vous ne savez pas comment utiliser les appareils numériques, dans le meilleur des cas, vous ne pourrez tout simplement pas établir de connexion.

J'ai acheté plusieurs modules pour Arduino, que dois-je faire ensuite ?

Pour en savoir plus sur les caractéristiques de connexion, les tensions d'alimentation, les niveaux logiques, etc., vous devez vous familiariser avec la fiche technique de votre module.

La fiche technique ou la fiche technique est la documentation technique d'un produit. Une telle documentation peut être téléchargée sur n'importe quel microcircuit ou capteur. Ils se trouvent généralement sur le site Web du fabricant. De plus, il existe des ressources spéciales sur Internet qui contiennent de nombreuses documentations techniques, dont http://www.alldatasheet.com/

Veuillez lire attentivement la fiche technique, mais à quoi devez-vous faire attention ? Premièrement, en plus de la partie principale du nom, un microcircuit comporte généralement une partie variable ou un préfixe - le plus souvent il s'agit d'une ou plusieurs lettres.

Cela indique certaines caractéristiques d'un microcircuit particulier, par exemple la puissance maximale, les tensions d'alimentation et les niveaux logiques (si l'appareil est numérique), éventuellement le boîtier dans lequel il est conçu, etc.

Si vous n'avez pas trouvé les informations d'alimentation, connectez-vous à la fiche technique. niveaux, contactez les communautés Arduino russophones ; leurs forums discutent généralement des caractéristiques de tous les modules courants.

L'ArduinoUno a une tension d'alimentation et des niveaux logiques de 5 V, si le périphérique externe fonctionne dans la plage de 3,3 V - vous devrez les former, l'alimentation peut être organisée à l'aide d'un stabilisateur LDO (linéaire à faible chute, pour la stabilisation dont il a besoin au moins 1,3 volts de surtension au courant maximum, contre 2 volts sur les stabilisateurs de la série 78xx, ce qui permet d'obtenir 3,3 volts à partir de 4,5 volts (trois piles AA).

La documentation technique des capteurs et appareils numériques indique également les noms des protocoles par lesquels ils « communiquent » entre eux. Il peut s'agir de protocoles individuels ou de protocoles standards, les mêmes :

Arduino fonctionne avec eux. Cela vous permettra de trouver plus facilement des bibliothèques et des exemples de code prêts à l'emploi.

Adaptation et amplification du signal

Les débutants se posent souvent des questions sur la compatibilité des appareils et des actionneurs avec Arduino. Nous examinerons les plus courants :

1. Adaptation de tension des circuits.

2. Coordination de la puissance de la broche de sortie et de l'actionneur, c'est-à-dire amplification de la tension et/ou du courant.

Que dois-je faire si les niveaux logiques sur mon module sont de 3,3 Volts et sur l'Arduino de 5 Volts ? Il est assez simple d'utiliser un convertisseur de niveau logique. Il peut être assemblé à partir d'éléments discrets, ou vous pouvez acheter un module prêt à l'emploi sur une carte, par exemple ceci :

Un tel convertisseur est bidirectionnel, c'est-à-dire il abaisse le niveau haut et augmente la réponse basse. BT(1,2,3,4) - plots pour connecter des signaux de bas niveau, HT(1,2,3,4) - niveaux élevés, HT et BT sans chiffres - ce sont des tensions de 5 et 3,3 Volts, comme avec les sources de signaux convertis, GND - masse ou fil négatif. Cette instance particulière dispose de 4 canaux indépendants.

La probabilité qu'un potentiel élevé apparaisse sur la carte Arduino dans ce cas est extrêmement faible, ceci est assuré par l'absence de contact électrique et la communication s'effectue via un canal optique, c'est-à-dire avec l'aide de la lumière. Vous pouvez en apprendre davantage à ce sujet en étudiant les appareils photo et optoélectroniques.

Si un saut important se produit, l'optocoupleur grillera, sur la photo il s'agit du PC8171, mais vous ne surchargerez pas les ports du microcontrôleur.

Connecter les consommateurs puissants

Étant donné que le microcontrôleur ne peut CONTRÔLER que le fonctionnement des appareils, vous ne pouvez pas connecter un consommateur puissant à son port. Exemples de tels consommateurs :

Moteurs électriques;

Servomoteurs.

1. Connexion des servos

La tâche principale du servomoteur est de régler la position du rotor connecté aux actionneurs, de le contrôler et de le modifier avec peu d'effort. Autrement dit, à l'aide d'un potentiomètre, si le servomoteur est conçu pour une rotation dans un demi-tour (180 degrés) ou à l'aide d'un encodeur, si une rotation circulaire (360 degrés) est requise, vous pouvez contrôler la position de l'arbre du servomoteur ( moteur électrique dans notre cas) de puissance arbitraire.

De nombreux passionnés de robotique utilisent Arduino comme base de leurs robots. C'est là que les servos ont trouvé une excellente utilité. Ils sont utilisés pour entraîner les mécanismes de rotation des caméras, des capteurs et des bras mécaniques. Les modèles radio sont utilisés pour entraîner la rotation des roues dans les modèles de voitures. Dans l'industrie, les gros entraînements sont utilisés dans les machines CNC et autres automatisations.

Dans les petits servos amateurs, une carte avec un capteur de position et de l'électronique est intégrée au boîtier. Trois fils en sortent généralement :

Le rouge est un plus de puissance, si le variateur est puissant, il vaut mieux le connecter à une source externe plutôt qu'à la carte Arduino ;

Le noir ou le marron est un moins, la connexion est la même qu'un plus ;

Le jaune ou l'orange est un signal de commande - il est fourni par la broche numérique du microcontrôleur (sortie numérique).

Une bibliothèque spéciale est fournie pour contrôler le servo ; l'accès à celle-ci est déclaré au début du code, avec la commande « #include servo.h ».

Connexion moteur

Pour entraîner les mécanismes et réguler leur vitesse de rotation, le plus simple est d'utiliser un DFC (moteur DC à balais à excitation par aimant permanent). Vous avez probablement vu des moteurs comme ceux-ci dans des voitures radiocommandées. Ils s'inversent facilement (ils s'allument pour tourner dans le sens souhaité), il suffit de changer la polarité. N'essayez pas de les connecter directement aux broches !

Il vaut mieux utiliser un transistor. Une conductivité directe (pnp) ou inverse (npn) fera l'affaire. Ceux de terrain conviennent également, mais lors du choix d'un spécifique, s'assurer que sa porte fonctionne avec des niveaux logiques ?

Sinon, il ne s'ouvrira pas complètement ou vous grillerez la sortie numérique du microcontrôleur pendant le chargement de la capacité de la grille - ils utilisent un pilote, le moyen le plus simple est de piloter le signal via un transistor bipolaire. Vous trouverez ci-dessous un schéma de contrôle via .

Si aucune résistance n'est placée entre G et S, alors la grille (G) ne sera pas attirée vers le sol et pourra spontanément « marcher » en raison d'interférences.

Comment déterminer qu'un transistor à effet de champ est adapté au contrôle direct à partir d'un microcontrôleur, voir ci-dessous. Dans la fiche technique, recherchez le paramètre Vgs, par exemple, pour l'IRL540, toutes les mesures et graphiques sont liés à Vgs = 5v, même un paramètre tel que la résistance du canal ouvert est indiqué pour cette tension entre la grille et la source.

En plus du DFC brossé, vous pouvez utiliser le même circuit pour connecter un refroidisseur à partir d'un ordinateur, bien qu'il dispose d'un moteur sans balais dont les enroulements sont contrôlés par un convertisseur intégré dont la carte est située directement dans son cas.

La vitesse de ces deux types de moteurs peut être facilement ajustée en modifiant la tension d'alimentation. Cela peut être fait si la base du transistor n'est pas connectée à la sortie numérique, mais à la broche PWM (~pwm), dont la valeur est déterminée par la fonction « analogWrite() ».

Relais et solénoïdes

Pour les circuits de commutation où la régulation et les commutations fréquentes ne sont pas nécessaires, il est pratique d'utiliser un relais. En choisissant le bon, vous pouvez commuter n'importe quel courant et tension avec un minimum de pertes de conductivité et d'échauffement des lignes électriques.

Pour ce faire, vous devez appliquer la tension requise à la bobine du relais. Dans le schéma du relais, sa bobine est conçue pour contrôler 5 volts, les contacts de puissance peuvent commuter à la fois quelques volts et 220 V secteur.

Commande de serrure de porte de voiture ;

Électrovannes;

Électro-aimant dans la production métallurgique ;

Centrale électrique à canon Gauss et plus encore.

Dans tous les cas, un schéma typique pour connecter des bobines CC à un microcontrôleur ou à une logique ressemble à ceci :

Un transistor pour amplifier le courant de commande, une diode est connectée dans le sens opposé pour protéger la sortie du microcontrôleur des surtensions EMF d'auto-induction.

Périphériques d'entrée et capteurs

Vous pouvez contrôler votre système à l'aide de boutons, de résistances, d'encodeurs. À l'aide du bouton, vous pouvez envoyer un signal à l'entrée numérique de l'Arduino à un niveau haut (haut/5 V) ou bas (bas/0 V).

Il existe deux options pour activer cela. Vous avez besoin d'un bouton normalement ouvert sans verrouillage ; pour certaines applications, vous avez besoin d'un interrupteur à bascule ou d'un bouton avec verrouillage - choisissez vous-même en fonction de la situation. Pour appliquer une unité, vous devez connecter le premier contact du bouton à la source d'alimentation et le second au point de connexion entre la résistance et l'entrée du microcontrôleur.

Lorsque le bouton est enfoncé sur la résistance, la tension d'alimentation chute, c'est-à-dire le niveau haut. Lorsque le bouton n'est pas enfoncé, il n'y a pas de courant dans le circuit, le potentiel aux bornes de la résistance est faible et le signal « Low/0V » est envoyé à l'entrée. Cette condition est appelée « la broche est tirée vers la masse et la résistance est « pull-down ».

Si vous souhaitez que le microcontrôleur reçoive 0 au lieu de 1 lorsque vous appuyez sur un bouton, connectez un bouton normalement fermé en utilisant le même circuit ou lisez la suite pour savoir comment procéder avec un bouton normalement ouvert.

Pour donner au microcontrôleur une commande avec un signal nul, le circuit change légèrement. Une branche de la résistance est connectée à la tension d'alimentation, la seconde au point de connexion entre le bouton normalement ouvert et l'entrée numérique de l'Arduino.

Lorsque le bouton est relâché, toute la tension reste dessus, l'entrée passe au niveau haut. Cet état est appelé « broche tirée au positif » et la résistance est « pull-up ». Lorsque vous appuyez sur le bouton, vous contournez (court-circuit) l'entrée à la masse.

Diviseur de tension et entrée de signal du potentiomètre et de l'analogue résistif

Un diviseur de tension est utilisé pour connecter des résistances variables telles que des thermistances, des photorésistances, etc. Du fait que l'une des résistances est constante et la seconde variable, vous pouvez observer le changement de tension à leur point médian, dans l'image ci-dessus, elle est indiquée par Ur.

De cette façon, vous pouvez connecter divers capteurs analogiques de type résistif et des capteurs qui modifient leur conductivité sous l'influence de forces externes. Et aussi des potentiomètres.

Dans l'image ci-dessous, vous voyez un exemple de connexion de tels éléments. Le potentiomètre peut être connecté sans résistance supplémentaire, alors dans la position extrême il y aura la pleine tension, mais dans la position minimale il faut assurer la stabilisation ou la limitation du courant - sinon ce sera le cas.

conclusions

Pour connecter n'importe quel module et ajout à un microcontrôleur sans erreurs, vous devez connaître les bases de l'électrotechnique, la loi d'Ohm, des informations générales sur l'électromagnétisme, ainsi que les bases du fonctionnement des dispositifs à semi-conducteurs. En fait, vous pouvez voir que tout cela est beaucoup plus facile à faire que d’écouter ces mots difficiles. Utilisez les diagrammes de cet article dans vos projets !

Alexeï Bartosh

Le transistor est un composant omniprésent et important dans la microélectronique moderne. Son but est simple : il permet d'en contrôler un beaucoup plus fort en utilisant un signal faible.

En particulier, il peut être utilisé comme un « amortisseur » contrôlé : par l'absence de signal à la « porte », bloquer le passage du courant, et en le fournissant, l'autoriser. En d'autres termes : il s'agit d'un bouton sur lequel on appuie non pas avec un doigt, mais en appliquant une tension. Il s’agit de l’application la plus courante en électronique numérique.

Les transistors sont disponibles dans différents boîtiers : le même transistor peut avoir une apparence complètement différente. En prototypage, les cas les plus courants sont :

TO-92 - compact, pour charges légères

TO-220AB - massif, bonne dissipation thermique, pour charges lourdes

La désignation sur les schémas varie également en fonction du type de transistor et de la norme de désignation utilisée dans la compilation. Mais quelle que soit la déclinaison, son symbole reste reconnaissable.

Transistors bipolaires

Les transistors à jonction bipolaire (BJT, Bipolar Junction Transistors) ont trois contacts :

Collecteur - une haute tension lui est appliquée, que vous souhaitez contrôler

Base - une petite quantité est fournie à travers elle actuel pour débloquer grand; la base est mise à la terre pour la bloquer

Émetteur - le courant le traverse depuis le collecteur et la base lorsque le transistor est « ouvert »

La principale caractéristique d'un transistor bipolaire est l'indicateur hfeégalement connu sous le nom de gain. Il reflète le nombre de fois plus de courant dans la section collecteur-émetteur que le transistor peut laisser passer par rapport au courant base-émetteur.

Par exemple, si hfe= 100, et 0,1 mA traverse la base, alors le transistor traversera lui-même un maximum de 10 mA. Si dans ce cas il y a un composant dans la section à courant élevé qui consomme, par exemple, 8 mA, il sera doté de 8 mA et le transistor aura une « réserve ». S'il y a un composant qui consomme 20 mA, il ne recevra que le maximum de 10 mA.

De plus, la documentation de chaque transistor indique les tensions et courants maximaux admissibles au niveau des contacts. Le dépassement de ces valeurs entraîne un échauffement excessif et une durée de vie réduite, et un fort excès peut conduire à la destruction.

NPN et PNP

Le transistor décrit ci-dessus est un transistor dit NPN. On l'appelle ainsi car il se compose de trois couches de silicium reliées dans l'ordre : Négatif-Positif-Négatif. Où négatif est un alliage de silicium avec un excès de porteurs de charge négatifs (dopé n) et positif est un alliage avec un excès de porteurs de charge positifs (dopé p).

Les NPN sont plus efficaces et courants dans l’industrie.

Lors de la désignation des transistors PNP, ils diffèrent dans le sens de la flèche. La flèche pointe toujours de P vers N. Les transistors PNP ont un comportement « inversé » : le courant n'est pas bloqué lorsque la base est mise à la terre et bloqué lorsque le courant la traverse.

Transistors à effet de champ

Les transistors à effet de champ (FET, Field Effect Transistor) ont le même objectif, mais diffèrent par leur structure interne. Un type particulier de ces composants sont les transistors MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Ils permettent de fonctionner avec une puissance bien supérieure avec les mêmes dimensions. Et le contrôle du « registre » lui-même s'effectue exclusivement en utilisant la tension: aucun courant ne traverse la grille, contrairement aux transistors bipolaires.

Les transistors à effet de champ ont trois contacts :

Drain - une haute tension lui est appliquée, que vous souhaitez contrôler

Porte - une tension lui est appliquée pour permettre au courant de circuler ; la porte est mise à la terre pour bloquer le courant.

Source - le courant la traverse depuis le drain lorsque le transistor est « ouvert »

Canal N et canal P

Par analogie avec les transistors bipolaires, les transistors de champ diffèrent par leur polarité. Le transistor à canal N a été décrit ci-dessus. Ce sont les plus courants.

Le canal P, lorsqu'il est désigné, diffère dans la direction de la flèche et, encore une fois, a un comportement « inversé ».

Connexion de transistors pour piloter des composants haute puissance

Une tâche typique d'un microcontrôleur consiste à activer et désactiver un composant de circuit spécifique. Le microcontrôleur lui-même présente généralement des caractéristiques de gestion de puissance modestes. Ainsi Arduino, avec une sortie de 5 V par broche, peut supporter un courant de 40 mA. Des moteurs puissants ou des LED ultra-lumineuses peuvent consommer des centaines de milliampères. Lors de la connexion directe de telles charges, la puce peut rapidement tomber en panne. De plus, pour le fonctionnement de certains composants, une tension supérieure à 5 V est requise et Arduino ne peut pas produire plus de 5 V à partir de la broche de sortie numérique.

Mais il est assez simple de contrôler un transistor, qui à son tour contrôlera un courant important. Disons que nous devons connecter une longue bande LED qui nécessite 12 V et consomme 100 mA :

Désormais, lorsque la sortie est réglée sur un logique (haut), le 5 V entrant dans la base ouvrira le transistor et le courant circulera à travers la bande - elle brillera. Lorsque la sortie est réglée sur zéro logique (faible), la base sera mise à la terre via le microcontrôleur et le flux de courant sera bloqué.

Faites attention à la résistance de limitation de courant R.. Il est nécessaire que lorsque la tension de commande est appliquée, un court-circuit ne se forme pas le long du trajet microcontrôleur - transistor - masse. L'essentiel est de ne pas dépasser le courant admissible à travers le contact Arduino de 40 mA, vous devez donc utiliser une résistance d'une valeur d'au moins :

Ici Ud- c'est la chute de tension aux bornes du transistor lui-même. Cela dépend du matériau dans lequel il est fabriqué et est généralement compris entre 0,3 et 0,6 V.

Mais il n'est absolument pas nécessaire de maintenir le courant à la limite admissible. Il suffit que le gain du transistor permette de contrôler le courant requis. Dans notre cas, c'est 100 mA. Acceptable pour le transistor utilisé hfe= 100, alors un courant de commande de 1 mA nous suffira

Une résistance d'une valeur de 118 Ohm à 4,7 kOhm nous convient. Pour un fonctionnement stable d'un côté et une charge légère sur la puce de l'autre, 2,2 kOhm est un bon choix.

Si vous utilisez un transistor à effet de champ au lieu d'un transistor bipolaire, vous pouvez vous passer de résistance :

Cela est dû au fait que la grille de ces transistors est contrôlée uniquement par la tension : il n'y a pas de courant dans la section microcontrôleur - grille - source. Et grâce à ses caractéristiques élevées, un circuit utilisant des MOSFET permet de piloter des composants très puissants.