Controlul benzii LED folosind Arduino. Arduino și MOSFET. Diagrama de conectare Conectarea unei sarcini de 150a la Arduino PWM

Următoarele articole vor include dispozitive care trebuie să controleze sarcinile externe. Prin sarcină externă mă refer la tot ce este atașat de picioarele microcontrolerului - LED-uri, becuri, relee, motoare, actuatoare... ei bine, ați înțeles ideea. Și oricât de bătut ar fi acest subiect, pentru a evita repetarea în articolele următoare, risc totuși să nu fiu original - mă veți ierta :). Voi arăta pe scurt, sub formă de recomandare, cele mai comune modalități de conectare a încărcăturii (dacă doriți să adăugați ceva, mă voi bucura prea mult).
Să fim imediat de acord că vorbim despre un semnal digital (un microcontroler este încă un dispozitiv digital) și nu ne vom abate de la logica generală: 1 - inclus, 0 -oprit. Sa incepem.

Sarcinile de curent continuu includ: LED-uri, lămpi, relee, motoare de curent continuu, servomotoare, diverse actuatoare etc. O astfel de sarcină este cel mai simplu (și cel mai adesea) conectată la un microcontroler.

1.1 Conexiune încărcături printr-un rezistor.
Cea mai simplă și probabil cea mai des folosită metodă când vine vorba de LED-uri.

Este necesar un rezistor pentru a limita curentul care curge prin piciorul microcontrolerului la admisibil 20mA. Se numește balast sau amortizare. Puteți calcula aproximativ valoarea rezistenței cunoscând rezistența de sarcină Rн.

Rquenching =(5v / 0.02A) – Rн = 250 – Rн

După cum puteți vedea, chiar și în cel mai rău caz, când rezistența de sarcină este zero, 250 ohmi sunt suficienți pentru a vă asigura că curentul nu depășește 20 mA. Asta înseamnă că, dacă nu vrei să numeri ceva acolo, pune 300 ohmiși veți proteja portul de suprasarcină. Avantajul metodei este evident - simplitatea.

1.2 Conexiune încărcături folosind un tranzistor bipolar.
Dacă se întâmplă așa că sarcina dvs. consumă mai mult de 20mA, atunci, desigur, un rezistor nu va ajuta aici. Trebuie să creșteți cumva (a se citi să întăriți) curentul. Ce se folosește pentru a amplifica semnalul? Dreapta. Tranzistor!

Este mai convenabil de utilizat pentru întărire n-p-n tranzistor conectat conform circuitului OE. Cu această metodă, puteți conecta o sarcină cu o tensiune de alimentare mai mare decât sursa de alimentare la microcontroler. Rezistorul de pe bază este limitativ. Poate varia într-un interval larg (1-10 kOhm), în orice caz, tranzistorul va funcționa în modul de saturație. Tranzistorul poate fi orice n-p-n tranzistor. Câștigul este practic irelevant. Tranzistorul este selectat pe baza curentului colectorului (curentul de care avem nevoie) și a tensiunii colector-emițător (tensiunea care alimentează sarcina). Disiparea puterii contează și ea - pentru a nu supraîncălzi.

Dintre cele obișnuite și ușor accesibile, puteți folosi BC546, BC547, BC548, BC549 cu orice litere (100mA), și chiar și același KT315 va face (cei care au resturi din stocurile vechi).
- Fișă tehnică pentru tranzistorul bipolar BC547

1.3 Conexiune încărcături folosind un tranzistor cu efect de câmp.
Ei bine, ce se întâmplă dacă curentul sarcinii noastre este în maximum zece amperi? Nu va fi posibilă utilizarea unui tranzistor bipolar, deoarece curenții de control ai unui astfel de tranzistor sunt mari și vor depăși cel mai probabil 20 mA. Ieșirea poate fi fie un tranzistor compozit (citiți mai jos), fie un tranzistor cu efect de câmp (aka MOS, alias MOSFET). Tranzistorul cu efect de câmp este pur și simplu un lucru minunat, deoarece este controlat nu de curent, ci de potențial de la poartă. Acest lucru face posibil ca curentul microscopic de poartă să controleze curenții mari de sarcină.

Orice tranzistor cu efect de câmp cu canale n este potrivit pentru noi. Alegem, ca și bipolar, după curent, tensiune și putere disipată.

Când porniți un tranzistor cu efect de câmp, trebuie să luați în considerare o serie de puncte:
- întrucât poarta este, de fapt, un condensator, atunci când tranzistorul comută, prin ea curg curenți mari (pe termen scurt). Pentru limitarea acestor curenți, în poartă este plasat un rezistor limitator.
— tranzistorul este controlat de curenți scăzuti și dacă ieșirea microcontrolerului la care este conectată poarta este într-o stare Z de impedanță ridicată, comutatorul de câmp va începe să se deschidă și să se închidă imprevizibil, captând interferențe. Pentru a elimina acest comportament, piciorul microcontrolerului trebuie „presat” la sol cu ​​un rezistor de aproximativ 10 kOhm.
Tranzistorul cu efect de câmp, pe fondul tuturor calităților sale pozitive, are un dezavantaj. Costul controlului curentului scăzut este încetineala tranzistorului. Desigur, va gestiona PWM, dar dacă frecvența admisă este depășită, vă va răspunde cu supraîncălzire.

1.4 Conexiune încărcături folosind un tranzistor Darlington compus.
O alternativă la utilizarea unui tranzistor cu efect de câmp pentru sarcini de curent ridicat este utilizarea unui tranzistor Darlington compozit. În exterior, este același tranzistor ca, de exemplu, unul bipolar, dar în interior este folosit un circuit de preamplificator pentru a controla tranzistorul puternic de ieșire. Acest lucru permite curenților mici să conducă o sarcină puternică. Utilizarea unui tranzistor Darlington nu este la fel de interesantă ca utilizarea unui ansamblu de astfel de tranzistori. Există un microcircuit atât de minunat ca ULN2003. Conține până la 7 tranzistoare Darlington, fiecare dintre acestea putând fi încărcat cu un curent de până la 500 mA și pot fi conectați în paralel pentru a crește curentul.

Microcircuitul este foarte ușor de conectat la microcontroler (doar pin la pin), are cablare convenabilă (intrare opusă ieșire) și nu necesită cablare suplimentară. Ca rezultat al acestui design de succes, ULN2003 este utilizat pe scară largă în practica radioamatorilor. În consecință, nu va fi dificil să-l obțineți.
- Fișă tehnică pentru asamblarea Darlington ULN2003

Dacă trebuie să controlați dispozitivele AC (cel mai adesea 220v), atunci totul este mai complicat, dar nu mult.

2.1 Conexiune încărcături folosind un releu.
Cea mai simplă și probabil cea mai fiabilă conexiune este utilizarea unui releu. Bobina releului în sine este o sarcină de curent mare, așa că nu o puteți conecta direct la microcontroler. Releul poate fi conectat printr-un tranzistor cu efect de câmp sau bipolar, sau prin același ULN2003, dacă sunt necesare mai multe canale.

Avantajele acestei metode sunt curentul mare de comutare (în funcție de releul selectat), izolarea galvanică. Dezavantaje: viteza/frecvența de activare limitată și uzura mecanică a pieselor.
Nu are sens să recomandăm ceva pentru utilizare - există multe relee, alegeți în funcție de parametrii și prețul necesar.

2.2 Conexiune încărcături folosind un triac (triac).
Dacă trebuie să controlați o sarcină puternică de curent alternativ și mai ales dacă trebuie să controlați puterea furnizată încărcăturii (dimeri), atunci pur și simplu nu puteți face fără a utiliza un triac (sau triac). Triac-ul este deschis printr-un impuls scurt de curent prin electrodul de control (atât pentru semi-undele de tensiune negative, cât și pentru cele pozitive). Triac-ul se închide singur când nu există tensiune pe el (când tensiunea trece prin zero). Aici încep dificultățile. Microcontrolerul trebuie să controleze momentul în care tensiunea trece de zero și, la un moment precis definit, să trimită un impuls pentru a deschide triacul - aceasta este o ocupare constantă a controlerului. O altă dificultate este lipsa izolației galvanice în triac. Trebuie să o faci pe elemente separate, complicând circuitul.

Deși triacurile moderne sunt controlate de un curent destul de scăzut și pot fi conectate direct (prin intermediul unui rezistor de limitare) la microcontroler, din motive de siguranță trebuie pornite prin dispozitive optice de decuplare. Mai mult, acest lucru se aplică nu numai circuitelor de control triac, ci și circuitelor de control zero.

Un mod destul de ambiguu de a conecta sarcina. Deoarece, pe de o parte, necesită participarea activă a unui microcontroler și un design de circuit relativ complex. Pe de altă parte, vă permite să manipulați sarcina în mod foarte flexibil. Un alt dezavantaj al folosirii triac-urilor este cantitatea mare de zgomot digital creat în timpul funcționării lor - sunt necesare circuite de suprimare.

Triacurile sunt destul de utilizate pe scară largă, iar în unele zone sunt pur și simplu de neînlocuit, așa că obținerea lor nu este o problemă. Triacurile de tip BT138 sunt foarte des folosite în radioamatori.

Pentru sistemul Smart Home, sarcina principală este de a controla aparatele de uz casnic de la un dispozitiv de control, fie că acesta este un microcontroler de tip Arduino, fie un microcomputer de tip Raspberry PI, sau orice altul. Dar nu va fi posibil să faceți acest lucru direct, să ne dăm seama cum să controlăm o sarcină de 220 V cu Arduino.

Un microcontroler nu este suficient pentru a controla circuitele AC din două motive:

1. La ieșire microcontroler este generat un semnal de tensiune constantă.

2. Curentul prin pinul microcontrolerului este de obicei limitat la 20-40 mA.

Avem două opțiuni de comutare folosind un releu sau folosind un triac. Triac-ul poate fi înlocuit cu două tiristoare conectate spate la spate (aceasta este structura internă a triacului). Să aruncăm o privire mai atentă la asta.

Controlul unei sarcini de 220 V folosind un triac și un microcontroler

Structura internă a triacului este prezentată în imaginea de mai jos.

Tiristorul funcționează după cum urmează: atunci când tiristorului este aplicată o tensiune de polarizare directă (plus anod și minus catod), niciun curent nu va trece prin el până când nu aplicați un impuls de control electrodului de control.

Am scris impuls cu un motiv. Spre deosebire de un tranzistor, un tiristor este un comutator semiconductor SEMI-CONTROLAT. Aceasta înseamnă că atunci când semnalul de control este eliminat, curentul prin tiristor va continua să curgă, adică. va rămâne deschis. Pentru ca acesta să se închidă, trebuie să întrerupeți curentul din circuit sau să schimbați polaritatea tensiunii aplicate.

Aceasta înseamnă că, în timp ce menține un impuls pozitiv pe electrodul de control, tiristorul din circuitul de curent alternativ va transmite doar semiunda pozitivă. Un triac poate trece curent în ambele sensuri, dar din moment ce este alcătuit din două tiristoare conectate între ele.

Polaritatea impulsurilor de control pentru fiecare dintre tiristoarele interne trebuie să corespundă polarității semiundei corespunzătoare; numai dacă această condiție este îndeplinită, curentul alternativ va circula prin triac. În practică, o astfel de schemă este implementată în comun.

După cum am spus deja, microcontrolerul produce un semnal de o singură polaritate; pentru a se potrivi cu semnalul, trebuie să utilizați un driver construit pe un optosimistor.

Astfel, semnalul aprinde LED-ul intern al optocuplerului, deschide triacul, care furnizează semnalul de control triacului de putere T1. MOC3063 și altele similare pot fi folosite ca un optodriver, de exemplu, fotografia de mai jos arată MOC3041.

Circuit de trecere cu zero - circuitul detector de tranziție de fază prin zero. Este necesară implementarea diferitelor tipuri de regulatoare triac pe un microcontroler.

Dacă circuitul nu are un optodriver, unde potrivirea este organizată printr-o punte de diode, dar, spre deosebire de versiunea anterioară, nu există izolație galvanică. Aceasta înseamnă că la prima supratensiune, puntea se poate sparge și tensiune înaltă va apărea la pinul microcontrolerului, ceea ce este rău.

La pornirea/oprirea unei sarcini puternice, în special una inductivă, cum ar fi motoarele și electromagneții, apar supratensiuni, astfel încât un circuit RC amortizor trebuie instalat în paralel cu toate dispozitivele semiconductoare.

Releu și Arduino

Pentru a controla un releu cu un Arduino, trebuie să utilizați un tranzistor suplimentar pentru a amplifica curentul.

Vă rugăm să rețineți că este utilizat un tranzistor bipolar cu conducție inversă (structură NPN); acesta poate fi KT315 domestic (iubit și cunoscut de toată lumea). Este necesară o diodă pentru a atenua exploziile EMF de auto-inducție în inductanță; acest lucru este necesar pentru ca tranzistorul să nu se defecteze de la tensiunea înaltă aplicată. De ce se întâmplă acest lucru va fi explicat prin legea de comutație: „Curentul într-o inductanță nu se poate schimba instantaneu”.

Și când tranzistorul este închis (pulsul de control este îndepărtat), energia câmpului magnetic acumulat în bobina releului trebuie să meargă undeva, motiv pentru care este instalată o diodă inversă. Încă o dată, observ că dioda este conectată în sens invers, adică. catodul la pozitiv, anodul la negativ.

Puteți asambla un astfel de circuit cu propriile mâini, ceea ce este mult mai ieftin, plus că puteți utiliza unul conceput pentru orice tensiune de curent continuu.

Sau cumpărați un modul gata făcut sau un scut întreg cu un releu pentru Arduino:

Fotografia arată un scut de casă, apropo, folosește KT315G pentru a amplifica curentul, iar mai jos vezi același scut fabricat din fabrică:

Concluzie

Controlul în siguranță al unei sarcini AC implică, în primul rând, toate informațiile descrise mai sus sunt valabile pentru orice microcontroler, nu doar placa Arduino.

Sarcina principală este de a furniza tensiunea și curentul necesar pentru a controla triacul sau releul și izolarea galvanică a circuitelor de control și a circuitului de alimentare CA.

Pe lângă siguranța pentru microcontroler, în acest fel vă protejați astfel încât să nu suferiți răni electrice în timpul întreținerii. Când lucrați cu tensiune înaltă, trebuie să respectați toate regulile de siguranță, să respectați PUE și PTEEP.

Aceste scheme pot fi, de asemenea, folosite. Triacurile și releele în acest caz acționează ca un amplificator intermediar și un potrivire de semnal. La dispozitivele de comutare puternice, curenții de control al bobinei sunt mari și depind direct de puterea contactorului sau a demarorului.

Alexey Bartosh

Releul Arduno vă permite să conectați dispozitive care funcționează în moduri cu curenți sau tensiuni relativ mari. Nu putem conecta direct pompe puternice, motoare sau chiar un bec incandescent obișnuit la placa Arduino - placa nu este proiectată pentru o astfel de sarcină și nu va funcționa. De aceea va trebui să adăugăm un releu la circuit, pe care îl puteți găsi în orice proiect. În acest articol vom vorbi despre ce sunt releele, cum sunt și cum le puteți conecta la proiectul dvs. Arduino.

Un releu este o poartă care vă permite să conectați împreună circuite electrice cu parametri complet diferiți. O ecluză tipică de râu conectează canalele de apă situate la diferite înălțimi prin deschiderea sau închiderea porților. Un releu din Arduino pornește sau oprește dispozitivele externe, într-un anumit fel închizând sau deschizând o rețea electrică separată la care sunt conectate. Cu ajutorul Arduino și releelor, controlăm procesul de aprindere sau oprire în același mod în care aprindem sau stingem luminile acasă - prin trimiterea unei comenzi de închidere sau deschidere. Arduino dă un semnal, iar chiar închiderea sau deschiderea circuitului „puternic” se va face de către releu prin mecanisme interne speciale. Un releu poate fi gândit ca o telecomandă, cu ajutorul căreia efectuăm acțiunile necesare folosind semnale relativ „slabe”.

Releul este caracterizat de următorii parametri:

• Tensiune sau curent de declanșare.
• Eliberați tensiune sau curent.
• Timpi de acționare și eliberare.
• Curent și tensiune de funcționare.
• Rezistență internă.

În funcție de tipul acestor mecanisme interne de declanșare și de caracteristicile dispozitivului, se pot distinge două grupe principale de relee: relee electromecanice (comutate de un electromagnet) și relee semiconductoare (comutate prin componente speciale semiconductoare).

Relee electromagnetice și cu stare solidă

Releu electromagnetic

Un releu electromagnetic este un dispozitiv electric care închide sau deschide mecanic un circuit de sarcină folosind un magnet. constă dintr-un electromagnet, o armătură mobilă și un comutator. Un electromagnet este un fir care este înfășurat pe o bobină feromagnetică. O placă de material magnetic acționează ca o ancoră. Unele modele de dispozitive pot avea încorporate componente electronice suplimentare: un rezistor pentru o funcționare mai precisă a releului, un condensator pentru a reduce interferența, o diodă pentru a elimina supratensiunile.

Releul funcționează datorită forței electromagnetice generate în miezuri atunci când curentul este furnizat prin spirele bobinei. În starea inițială, arcul ține ancora. Când se aplică un semnal de control, magnetul începe să atragă armătura și să închidă sau să deschidă circuitul. Când tensiunea este oprită, armătura revine la poziția inițială. Sursele de tensiune de control pot fi senzori (presiune, temperatură etc.), microcircuite electrice și alte dispozitive care furnizează curent scăzut sau tensiune scăzută.

Releele electromagnetice sunt utilizate în circuitele de automatizare, la controlul diferitelor instalații tehnologice, acționări electrice și alte dispozitive. Releul este conceput pentru a regla tensiunile și curenții, poate fi folosit ca dispozitiv de stocare sau de conversie și poate, de asemenea, înregistra abaterile parametrilor de la valorile normale.

Clasificarea releelor ​​electromagnetice:

• Curentul de control poate fi constant sau alternativ. În primul caz, dispozitivul poate fi neutru sau polarizat. Pentru curent alternativ, armătura este realizată din oțel electric pentru a reduce pierderile.
• Ancoră sau releu de trestie. Pentru un tip de ancoră, procesul de închidere și deschidere are loc prin deplasarea armăturii; pentru un comutator cu lame, absența unui miez este tipică; câmpul magnetic acționează asupra electrodului cu contacte.
• Performanță – până la 50 ms, până la 150 ms și de la 1 s.
• Înveliș de protecție – sigilat, acoperit și deschis.

În comparație cu dispozitivele semiconductoare, un releu electromagnetic are avantaje - este ieftin, comută o sarcină mare cu o dimensiune mică a dispozitivului și produce puțină căldură pe bobină. Dezavantajele includ răspuns lent, zgomot și dificultăți de comutare a sarcinilor inductive.

Relee cu stare solidă

Releele cu stare solidă sunt considerate o alternativă bună la cele electromagnetice; sunt un dispozitiv semiconductor modular care este produs folosind tehnologia hibridă. Releele conțin tranzistori, triac sau tiristoare. În comparație cu dispozitivele electromagnetice, releele cu stare solidă au o serie de avantaje:

• Durată lungă de viață.
• Performanţă.
• Dimensiuni mici.
• Nu există zgomote străine, interferențe acustice sau discuții de contact.
• Consum redus de energie.
• Izolație de înaltă calitate.
• Rezistent la vibrații și șocuri.
• Nu există descărcări de arc, ceea ce vă permite să lucrați în zone explozive.

Ele funcționează după următorul principiu: un semnal de control este furnizat LED-ului, are loc izolarea galvanică a circuitelor de comandă și comutate, apoi semnalul trece la matricea fotodiodei. Tensiunea este reglată de un întrerupător de alimentare.

Releele cu stare solidă au, de asemenea, câteva dezavantaje. În primul rând, în timpul comutării, dispozitivul se încălzește. O creștere a temperaturii dispozitivului duce la o limitare a curentului reglat - la temperaturi care depășesc 60 de grade, valoarea curentului scade, temperatura maximă de funcționare este de 80 de grade.

Releele cu stare solidă sunt clasificate după următoarele criterii:

• Tip de sarcină – monofazat și trifazat.
• Metoda de control - comutarea are loc din cauza tensiunii continue, alternativei sau controlului manual.
• Metoda de comutare: control de trecere la zero (utilizat pentru sarcini slab inductive, capacitive și rezistive), comutare aleatorie (sarcini inductive și rezistive care necesită acționare instantanee) și control de fază (variația tensiunii de ieșire, reglarea puterii, controlul lămpii incandescente).

Relee în proiectele Arduino

Cel mai comun releu pentru placa Arduino este realizat sub forma unui modul, de exemplu, SONGLE SRD-05VDC. Aparatul este controlat de o tensiune de 5 V, poate comuta până la 10 A 30 V DC și 10 A 250 V AC.

Diagrama este prezentată în figură. Releul este format din două circuite neconectate - circuitul de control A1 și A2 și circuitul controlat 1, 2 și 3.

Între A1 și A2 există un miez metalic. Dacă treceți un curent electric prin el, armătura (2) va fi atrasă de el. 1, 3 – contacte fixe. În absența curentului, armătura va fi aproape de pinul 3.

Conectarea unui releu la Arduino

Luați în considerare un modul releu cu un singur canal. Are doar 3 contacte, acestea sunt conectate la Arduino Uno astfel: GND – GND, VCC – +5V, In – 3. Intrarea releului este inversată, deci un nivel ridicat pe In oprește bobina, iar un nivel scăzut îl pornește.

LED-urile sunt necesare pentru indicare - când LED-ul roșu 1 se aprinde, releu este furnizat tensiune, când LED-ul verde 2 se aprinde, are loc un scurtcircuit. Când microcontrolerul pornește, tranzistorul este oprit. Pentru a-l deschide este nevoie de un minus pe bază, furnizat folosind funcția digitalWrite(pin, LOW);. Tranzistorul se deschide, curentul trece prin circuit și releul funcționează. Pentru a o dezactiva, se aplică un plus pe bază folosind digitalWrite(pin, HIGH);.

Schema de conectare a lămpii și aspectul aspectului sunt prezentate în figuri.

Platforma pentru pasionații de robotică și automatizare este renumită pentru designul modular și ușurința în operare. Uneori dau peste reclame în care susțin că îți poți asambla propriul robot fără cunoştinţe de electronică. Dar nu este așa.

Dacă unele actuatoare și mecanisme sunt conectate incorect, puteți arde porturile Arduino (despre care am vorbit deja în articol). Și dacă nu știi cum să manevrezi dispozitivele digitale, în cel mai bun caz, pur și simplu nu vei putea stabili o conexiune.

Am cumpărat mai multe module pentru Arduino, ce ar trebui să fac în continuare?

Pentru a afla despre caracteristicile de conectare, tensiunile de alimentare, nivelurile logice etc., trebuie să vă familiarizați cu fișa de date pentru modulul dumneavoastră.

Fișa de date sau fișa de date este documentația tehnică pentru un produs. O astfel de documentație poate fi descărcată pe orice microcircuit sau senzor. De obicei sunt pe site-ul producătorului. Mai mult, există resurse speciale pe Internet care conțin o mulțime de documentație tehnică, dintre care una este http://www.alldatasheet.com/

Vă rugăm să citiți cu atenție fișa tehnică, dar la ce ar trebui să acordați atenție? În primul rând, pe lângă partea principală a numelui, un microcircuit are de obicei o parte variabilă sau un prefix - cel mai adesea este una sau mai multe litere.

Aceasta indică unele caracteristici ale unui anumit microcircuit, de exemplu, puterea maximă, tensiunile de alimentare și nivelurile logice (dacă dispozitivul este digital), eventual pachetul în care este proiectat etc.

Dacă nu ați găsit informațiile despre putere și conectați-vă în fișa de date. niveluri, contactați comunitățile arduino vorbitoare de rusă; forumurile lor discută de obicei caracteristicile tuturor modulelor comune.

ArduinoUno are o tensiune de alimentare și niveluri logice de 5 V, dacă dispozitivul extern funcționează în intervalul de 3,3 V - va trebui să le formați, puterea poate fi aranjată cu ajutorul unui stabilizator LDO (liniar low-drop, pentru stabilizare are nevoie). cel puțin 1,3 volți de tensiune în exces la curentul maxim, față de 2 volți la stabilizatoarele din seria 78xx, ceea ce vă permite să obțineți 3,3 volți de la 4,5 volți (trei baterii AA).

Documentația tehnică pentru senzorii și dispozitivele digitale indică, de asemenea, numele protocoalelor prin care aceștia „comună” între ei. Acestea pot fi protocoale individuale sau standard, aceleași:

Arduino funcționează cu ele. Acest lucru vă va face mai ușor să găsiți biblioteci gata făcute și exemple de cod.

Potrivirea și amplificarea semnalului

Întrebări despre potrivirea dispozitivelor și actuatoarelor cu Arduino apar destul de des pentru începători. Ne vom uita la cele mai comune:

1. Potrivirea tensiunii circuitelor.

2. Coordonarea puterii pinului de ieșire și a actuatorului, cu alte cuvinte, amplificarea tensiunii și/sau a curentului.

Ce ar trebui să fac dacă nivelurile logice de pe modulul meu sunt de 3,3 volți, iar pe Arduino de 5 volți? Este destul de ușor să utilizați un convertor de nivel logic. Poate fi asamblat din elemente discrete sau puteți achiziționa un modul gata făcut pe o placă, de exemplu acesta:

Un astfel de convertor este bidirecțional, adică coboară nivelul ridicat și crește răspunsul scăzut. LV(1,2,3,4) - pad-uri pentru conectarea semnalelor de nivel scăzut, HV(1,2,3,4) - niveluri înalte, HV și LV fără numere - acestea sunt tensiuni de 5 și 3,3 volți, ca și în cazul sursele semnalelor convertite, GND - masă sau fir negativ. Această instanță particulară are 4 canale independente.

Probabilitatea ca un potențial ridicat să apară pe placa Arduino în acest caz este extrem de mică, aceasta fiind asigurată de absența contactului electric, iar comunicarea se realizează printr-un canal optic, adică. cu ajutorul luminii. Puteți afla mai multe despre acest lucru studiind dispozitivele foto și optoelectronice.

Dacă apare un salt mare, optocuplerul se va arde, în imagine este PC8171, dar nu veți supraîncărca porturile microcontrolerului.

Conectarea consumatorilor puternici

Deoarece microcontrolerul poate CONTROLA doar funcționarea dispozitivelor, nu puteți conecta un consumator puternic la portul său. Exemple de astfel de consumatori:

Motoare electrice;

Servoacționări.

1. Conexiune servo

Sarcina principală a servomotorului este de a seta poziția rotorului conectat la actuatoare, de a-l controla și de a schimba cu puțin efort. Adică, folosind un potențiometru, dacă servomotorul este proiectat pentru rotație într-o jumătate de tură (180 de grade) sau folosind un encoder, dacă este necesară o rotație circulară (360 de grade), puteți controla poziția arborelui servomotor ( motor electric în cazul nostru) de putere arbitrară.

Mulți pasionați de robotică folosesc Arduino ca bază pentru roboții lor. Aici servole au găsit o utilizare excelentă. Sunt folosite pentru a antrena mecanisme rotative pentru camere, senzori și brațe mecanice. Modelele de radio sunt folosite pentru a conduce rotația roților la modelele de mașini. În industrie, acționările mari sunt utilizate în mașinile CNC și alte automatizări.

La servomotoarele mici pentru amatori, în carcasă este încorporată o placă cu senzor de poziție și electronică. Din ele ies de obicei trei fire:

Roșu este un plus de putere, dacă unitatea este puternică, este mai bine să o conectați la o sursă externă decât la placa Arduino;

Negru sau maro este un minus, conexiunea este aceeași cu un plus;

Galben sau portocaliu este un semnal de control - este furnizat de la pinul digital al microcontrolerului (ieșire digitală).

Este prevăzută o bibliotecă specială pentru controlul servo, accesul la acesta este declarat la începutul codului, cu comanda „#include servo.h”.

Conexiune motor

Pentru a acționa mecanismele și a regla viteza de rotație a acestora, cel mai simplu mod este să utilizați un DFC (motor DC cu perii cu excitație cu magnet permanent). Probabil că ați văzut astfel de motoare în mașini controlate radio. Ele sunt ușor inversate (pornite pentru a se roti în direcția dorită); trebuie doar să schimbi polaritatea. Nu încercați să le conectați direct la pini!

Este mai bine să folosiți un tranzistor. Conductivitatea directă (pnp) sau inversă (npn) va fi potrivită. Sunt potrivite și cele de câmp, dar atunci când alegeți unul anume, asigurați-vă că poarta sa funcționează cu niveluri logice?

În caz contrar, nu se va deschide complet sau veți arde ieșirea digitală a microcontrolerului în timp ce încărcați capacitatea porții - folosesc un driver, cel mai simplu mod este să conduceți semnalul printr-un tranzistor bipolar. Mai jos este o diagramă de control prin .

Dacă un rezistor nu este plasat între G și S, atunci poarta (G) nu va fi atrasă de pământ și poate „mergi” spontan din cauza interferenței.

Cum să determinați că un tranzistor cu efect de câmp este potrivit pentru controlul direct de la un microcontroler, vezi mai jos. În fișa de date, găsiți parametrul Vgs, de exemplu, pentru IRL540, toate măsurătorile și graficele sunt legate de Vgs = 5v, chiar și un parametru precum rezistența canalului deschis este indicat pentru această tensiune între poartă și sursă.

În plus față de DFC periat, puteți utiliza același circuit pentru a conecta un răcitor de la un computer, deși are un motor fără perii, ale cărui înfășurări sunt controlate de un convertor încorporat, a cărui placă este amplasată direct în caz.

Viteza acestor două tipuri de motoare poate fi reglată cu ușurință prin schimbarea tensiunii de alimentare. Acest lucru se poate face dacă baza tranzistorului este conectată nu la ieșirea digitală, ci la pinul PWM (~pwm), a cărui valoare este determinată de funcția „analogWrite()”.

Relee și solenoizi

Pentru circuitele de comutare în care nu este necesară reglarea și comutarea frecventă, este convenabil să utilizați un releu. Alegând-o pe cea potrivită, puteți comuta orice curenți și tensiuni cu pierderi minime de conductivitate și încălzire a liniilor electrice.

Pentru a face acest lucru, trebuie să aplicați tensiunea necesară bobinei releului. În diagrama releului, bobina sa este proiectată să controleze 5 volți, contactele de putere pot comuta atât câțiva volți, cât și rețeaua de 220 V.

Unitatea de blocare a ușii mașinii;

Electrovalve;

Electromagnet în producția metalurgică;

Centrală electrică de tun Gauss și multe altele.

În orice caz, o diagramă tipică pentru conectarea bobinelor DC la un microcontroler sau o logică arată astfel:

Un tranzistor pentru a amplifica curentul de control, o diodă este conectată în direcția opusă pentru a proteja ieșirea microcontrolerului de supratensiunile EMF de auto-inducție.

Dispozitive de intrare și senzori

Vă puteți controla sistemul folosind butoane, rezistențe, codificatoare. Folosind butonul, puteți trimite un semnal către intrarea digitală a Arduino la un nivel ridicat (înalt/5V) sau scăzut (scăzut/0V).

Există două opțiuni pentru a activa acest lucru. Aveți nevoie de un buton normal deschis fără blocare; pentru anumite scopuri aveți nevoie de un comutator basculant sau de un buton cu blocare - alegeți singur în funcție de situație. Pentru a aplica o unitate, trebuie să conectați primul contact al butonului la sursa de alimentare, iar al doilea la punctul de conectare dintre rezistor și intrarea microcontrolerului.

Când butonul este apăsat pe rezistență, tensiunea de alimentare scade, adică nivelul ridicat. Când butonul nu este apăsat, nu există curent în circuit, potențialul peste rezistor este scăzut și semnalul „Low/0V” este trimis la intrare. Această condiție se numește „pinul este tras la masă și rezistorul este „tras în jos”.

Dacă doriți ca microcontrolerul să primească 0 în loc de 1 atunci când apăsați un buton, conectați un buton normal închis folosind același circuit sau citiți mai departe pentru a afla cum să faceți acest lucru cu unul normal deschis.

Pentru a da microcontrolerului o comandă cu semnal zero, circuitul se modifică ușor. Un picior al rezistorului este conectat la tensiunea de alimentare, al doilea la punctul de conectare dintre butonul normal deschis și intrarea digitală a Arduino.

Când butonul este eliberat, toată tensiunea rămâne pe el, intrarea devine ridicată. Această stare se numește „pin tras la pozitiv”, iar rezistența este „pull-up”. Când apăsați butonul, ocoliți (scurtcircuit) intrarea la masă.

Divizor de tensiune și intrare de semnal de la potențiometru și analog rezistiv

Un divizor de tensiune este utilizat pentru a conecta rezistențe variabile, cum ar fi termistoare, fotorezistoare etc. Datorită faptului că unul dintre rezistențe este constant, iar cel de-al doilea este variabil, puteți observa schimbarea tensiunii la mijlocul lor, în imaginea de mai sus este indicată cu Ur.

În acest fel, puteți conecta diferiți senzori analogici de tip rezistiv și senzori care își modifică conductibilitatea sub influența forțelor externe. Și, de asemenea, potențiometre.

În imaginea de mai jos vedeți un exemplu de conectare a unor astfel de elemente. Potențiometrul poate fi conectat fără un rezistor suplimentar, apoi în poziția extremă va fi tensiune maximă, dar în poziția minimă este necesar să se asigure stabilizarea sau limitarea curentului - altfel va fi.

concluzii

Pentru a conecta orice modul și adăugarea la un microcontroler fără erori, trebuie să cunoașteți elementele de bază ale ingineriei electrice, legea lui Ohm, informații generale despre electromagnetism, precum și elementele de bază ale funcționării dispozitivelor semiconductoare. De fapt, puteți vedea că toate acestea sunt mult mai ușor de făcut decât să ascultați aceste cuvinte dificile. Folosește diagramele din acest articol în proiectele tale!

Alexey Bartosh

Tranzistorul este o componentă omniprezentă și importantă în microelectronica modernă. Scopul său este simplu: vă permite să controlați unul mult mai puternic folosind un semnal slab.

În special, poate fi folosit ca „amortizor” controlat: prin absența unui semnal la „poartă”, blocați fluxul de curent și, prin alimentarea acestuia, permiteți-l. Cu alte cuvinte: acesta este un buton care este apăsat nu cu un deget, ci prin aplicarea tensiunii. Aceasta este cea mai comună aplicație în electronica digitală.

Tranzistoarele sunt disponibile în pachete diferite: același tranzistor poate arăta complet diferit în aspect. În prototipare, cele mai frecvente cazuri sunt:

TO-92 - compact, pentru sarcini ușoare

TO-220AB - disipare masivă, bună a căldurii, pentru sarcini grele

Desemnarea de pe diagrame variază și în funcție de tipul de tranzistor și de standardul de desemnare utilizat în compilare. Dar, indiferent de variație, simbolul său rămâne de recunoscut.

Tranzistoare bipolare

Tranzistoarele cu joncțiune bipolară (BJT, Tranzistoare cu joncțiune bipolară) au trei contacte:

Colector - i se aplică tensiune înaltă, pe care doriți să-l controlați

Baza - o cantitate mică este furnizată prin ea actual a debloca mari; baza este legată la pământ pentru a o bloca

Emițător - curentul curge prin el de la colector și bază atunci când tranzistorul este „deschis”

Caracteristica principală a unui tranzistor bipolar este indicatorul h fe cunoscut și sub numele de câștig. Acesta reflectă de câte ori mai mult curent în secțiunea colector-emițător poate trece tranzistorul în raport cu curentul bază-emițător.

De exemplu, dacă h fe= 100, iar 0,1 mA trece prin bază, apoi tranzistorul va trece prin el însuși maximum 10 mA. Dacă în acest caz există o componentă în secțiunea de curent mare care consumă, de exemplu, 8 mA, aceasta va fi prevăzută cu 8 mA, iar tranzistorul va avea o „rezervă”. Dacă există o componentă care consumă 20 mA, aceasta va fi furnizată numai cu maxim 10 mA.

De asemenea, documentația pentru fiecare tranzistor indică tensiunile și curenții maximi admisi la contacte. Depășirea acestor valori duce la încălzire excesivă și la o durată de viață redusă, iar un exces puternic poate duce la distrugere.

NPN și PNP

Tranzistorul descris mai sus este un așa-numit tranzistor NPN. Se numește așa deoarece este format din trei straturi de siliciu conectate în ordinea: Negativ-Pozitiv-Negativ. Unde negativ este un aliaj de siliciu cu un exces de purtători de sarcină negativă (n-dopată), iar pozitiv este un aliaj cu un exces de purtători de sarcină pozitivă (p-dopată).

NPN-urile sunt mai eficiente și mai comune în industrie.

La desemnarea tranzistorilor PNP, acestea diferă în direcția săgeții. Săgeata indică întotdeauna de la P la N. Tranzistoarele PNP au un comportament „inversat”: curentul nu este blocat atunci când baza este legată la pământ și blocat atunci când curentul trece prin ea.

Tranzistoare cu efect de câmp

Tranzistoarele cu efect de câmp (FET, Field Effect Transistor) au același scop, dar diferă în structura internă. Un tip special de aceste componente sunt tranzistoarele MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Acestea vă permit să operați cu o putere mult mai mare cu aceleași dimensiuni. Și controlul „amortizorului” în sine este efectuat exclusiv folosind tensiune: nu trece curent prin poartă, spre deosebire de tranzistoarele bipolare.

Tranzistoarele cu efect de câmp au trei contacte:

Scurgere - i se aplică tensiune înaltă, pe care doriți să o controlați

Poarta - i se aplica tensiune pentru a permite curentului sa circule; poarta este legată la pământ pentru a bloca curentul.

Sursă - curentul curge prin ea din dren atunci când tranzistorul este „deschis”

Canal N și Canal P

Prin analogie cu tranzistoarele bipolare, tranzistoarele de câmp diferă în polaritate. Tranzistorul N-Canal a fost descris mai sus. Sunt cele mai comune.

Când este desemnat, P-Channel diferă în direcția săgeții și, din nou, are un comportament „inversat”.

Conectarea tranzistoarelor pentru a conduce componente de mare putere

O sarcină tipică a unui microcontroler este să pornească și să oprească o anumită componentă a circuitului. Microcontrolerul în sine are de obicei caracteristici modeste de manipulare a puterii. Deci Arduino, cu ieșire de 5 V pe pin, poate rezista la un curent de 40 mA. Motoarele puternice sau LED-urile ultra-luminoase pot consuma sute de miliamperi. Când conectați direct astfel de sarcini, cipul poate eșua rapid. În plus, pentru funcționarea unor componente, este necesară o tensiune mai mare de 5 V, iar Arduino nu poate produce mai mult de 5 V din pinul de ieșire digitală.

Dar este suficient de ușor să controlezi un tranzistor, care, la rândul său, va controla un curent mare. Să presupunem că trebuie să conectăm o bandă LED lungă care necesită 12 V și consumă 100 mA:

Acum, când ieșirea este setată la una logică (înaltă), cei 5 V care intră în bază vor deschide tranzistorul și curentul va curge prin bandă - va străluci. Când ieșirea este setată la zero logic (scăzut), baza va fi legată la pământ prin microcontroler și fluxul de curent va fi blocat.

Acordați atenție rezistenței de limitare a curentului R. Este necesar ca atunci când se aplică tensiunea de control, un scurtcircuit să nu se formeze de-a lungul traseului microcontroler - tranzistor - masă. Principalul lucru este să nu depășiți curentul permis prin contactul Arduino de 40 mA, deci trebuie să utilizați un rezistor cu o valoare de cel puțin:

Aici Ud- aceasta este căderea de tensiune pe tranzistorul însuși. Depinde de materialul din care este fabricat și este de obicei 0,3 – 0,6 V.

Dar nu este absolut necesar să mențineți curentul la limita admisă. Este necesar doar ca câștigul tranzistorului să vă permită să controlați curentul necesar. În cazul nostru este de 100 mA. Acceptabil pentru tranzistorul folosit h fe= 100, atunci un curent de control de 1 mA ne va fi suficient

Un rezistor cu o valoare de la 118 Ohm la 4,7 kOhm este potrivit pentru noi. Pentru o funcționare stabilă pe o parte și o sarcină ușoară pe cip pe cealaltă, 2,2 kOhm este o alegere bună.

Dacă utilizați un tranzistor cu efect de câmp în loc de un tranzistor bipolar, puteți face fără un rezistor:

Acest lucru se datorează faptului că poarta din astfel de tranzistoare este controlată exclusiv de tensiune: nu există curent în secțiunea microcontroler - poartă - sursă. Și datorită caracteristicilor sale ridicate, un circuit care utilizează MOSFET vă permite să conduceți componente foarte puternice.