Управління світлодіодною стрічкою за допомогою Arduino. Arduino та MOSFET. Схема підключення Підключення навантаження 150а до ших ардуїно

У наступних статтях будуть пристрої, які мають керувати зовнішнім навантаженням. Під зовнішнім навантаженням я розумію все, що причеплено до ніжок мікроконтролера – світлодіоди, лампочки, реле, двигуни, виконавчі пристрої… Ну, ви зрозуміли. І як би не була заїжджена ця тема, але, щоб уникнути повторень у наступних статтях, я все-таки ризикну бути не оригінальним - Ви вже мені вибачте:). Я коротко, у рекомендаційній формі, покажу найпоширеніші способи підключення навантаження (якщо Ви щось захочете додати – буду тільки радий).
Відразу домовимося, що йдеться про цифровий сигнал (мікроконтролер все-таки цифровий пристрій) і не відходитимемо від загальної логіки: 1 -включено, 0 -Вимкнено. Почнемо.

Навантаження постійного струму є: світлодіоди, лампи, реле, двигуни постійного струму, сервоприводи, різні виконавчі пристрої і т.д. Таке навантаження найпростіше (і найчастіше) підключається до мікроконтролера.

1.1 Підключення навантаженнячерез резистор.
Найпростіший і, напевно, найчастіше використовуваний спосіб, якщо йдеться про світлодіоди.

Резистор потрібен для того, щоб обмежити струм, що протікає, через ніжку мікроконтролера до допустимих 20мА. Його називають баластним або гасить. Приблизно розрахувати величину резистора можна знаючи опір навантаження Rн.

Rгасить =(5v / 0.02A) - Rн = 250 - Rн

Як видно, навіть у найгіршому випадку, коли опір навантаження дорівнює нулю досить 250 Ом для того, щоб струм не перевищив 20мА. А значить, якщо не хочеться чогось там рахувати — ставте 300 Омі Ви захистите порт від перевантаження. Перевага способу очевидна - простота.

1.2 Підключення навантаженняза допомогою біполярного транзистора.
Якщо так сталося, що Ваше навантаження споживає більше 20мА, то, ясна річ, резистор тут не допоможе. Потрібно якось збільшити (читай посилити) струм. Що застосовують посилення сигналу? Правильно. Транзистор!

Для посилення зручніше застосовувати n-p-nтранзистор, включений за схемою ОЕ. При такому способі можна підключати навантаження з більшою напругою живлення, ніж живлення мікроконтролера. Резистор з урахуванням – обмежувальний. Може змінюватись у широких межах (1-10 кОм), у будь-якому випадку транзистор працюватиме в режимі насичення. Транзистор може бути будь-яким n-p-nтранзистор. Коефіцієнт посилення практично не має значення. Вибирається транзистор струмом колектора (потрібний нам струм) і напругою колектор-емітер (напруга яким запитується навантаження). Ще має значення розсіювана потужність - щоб не перегрівся.

З поширених і легко доступних можна заюзати BC546, BC547, BC548, BC549 з будь-якими літерами (100мА), та й той-таки КТ315 зійде (це у когось зі старих запасів залишилися).
- Даташит на біполярний транзистор BC547

1.3 Підключення навантаженняза допомогою польового транзистора.
Ну, а якщо струм нашого навантаження лежить у межах десятка ампер? Біполярний транзистор застосувати не вийде, оскільки струми управління таким транзистором великі і швидше за все перевищать 20мА. Виходом може служити або складовий транзистор (читати нижче) або польовий транзистор (він же МОП, він MOSFET). Польовий транзистор просто чудова штука, оскільки він керується не струмом, а потенціалом на затворі. Це уможливлює мікроскопічним струмом на затворі керувати великими струмами навантаження.

Для нас підійде будь-який n-канальний польовий транзистор. Вибираємо, як і біполярний, по струму, напрузі і потужності, що розсіюється.

При включенні польового транзистора необхідно врахувати низку моментів:
— оскільки затвор фактично є конденсатором, то в моменти перемикання транзистора через нього течуть великі струми (короткочасно). Для того щоб обмежити ці струми в затвор ставиться резистор, що обмежує.
- транзистор управляється малими струмами і якщо вихід мікроконтролера, до якого підключений затвор, опиниться у високоімпедансному Z-стані, полівик почне відкриватися-закриватися непередбачено, виловлюючи перешкоди. Для усунення такої поведінки ніжку мікроконтролера потрібно притиснути до землі резистором близько 10кОм.
У польового транзистора і натомість всіх його позитивних якостей є недолік. Платою за управління малим струмом є повільність транзистора. ШИМ, звичайно, він потягне, але на перевищення допустимої частоти він відповість Вам перегріванням.

1.4 Підключення навантаженняза допомогою складеного транзистора Дарлінгтона.
Альтернативою застосування польового транзистора при сильноточному навантаженні є застосування складеного транзистора Дарлінгтон. Зовні це такий же транзистор, як скажімо, біполярний, але всередині для управління потужним вихідним транзистором використовується попередня підсилювальна схема. Це дозволяє малими струмами керувати потужним навантаженням. Застосування транзистора Дарлінгтона негаразд цікаве, як застосування складання таких транзисторів. Є така чудова мікросхема, як ULN2003. У її складі аж 7 транзисторів Дарлінгтона, причому кожен можна навантажити струмом до 500мА, причому їх можна включати паралельно збільшення струму.

Мікросхема дуже легко підключається до мікроконтролера (просто ніжка до ніжки) має зручне розведення (вхід навпроти виходу) і не вимагає додаткової обв'язки. В результаті такої вдалої конструкції ULN2003 широко використовується у радіоаматорській практиці. Відповідно дістати її не складе труднощів.
- Даташит на складання Дарлінгтонів ULN2003

Якщо Вам потрібно керувати пристроями змінного струму (найчастіше 220v), то все складніше, але не на багато.

2.1 Підключення навантаженняза допомогою реле.
Найпростішим і, мабуть, найнадійнішим є підключення за допомогою реле. Котушка реле, сама собою, є сильноточним навантаженням, тому безпосередньо до мікроконтролера її не ввімкнеш. Реле можна підключити через транзистор польовий або біполярний або через тугіше ULN2003, якщо потрібно кілька каналів.

Переваги такого способу великий струм, що комутується (залежить від обраного реле), гальванічна розв'язка. Недоліки: обмежена швидкість/частота включення та механічне зношування деталей.
Щось рекомендувати для застосування не має сенсу — багато реле, вибирайте за потрібними параметрами і ціною.

2.2 Підключення навантаженняза допомогою симистора (тріаку).
Якщо потрібно керувати потужним навантаженням змінного струму, а особливо якщо потрібно керувати потужністю, що видається на навантаження (димери), то Вам просто не обійтися без застосування симістора (або тріаку). Симистор відкривається коротким імпульсом струму через електрод, що управляє (причому як для негативної, так і для позитивної напівхвилі напруги). Закривається симистор сам, у момент відсутності напруги у ньому (при переході напруги через нуль). Ось тут починаються складнощі. Мікроконтролер повинен контролювати момент переходу через нуль напруги і в певний момент подавати імпульс для відкриття симістора - це постійна зайнятість контролера. Ще одна складність - це відсутність гальванічної розв'язки у симістора. Доводиться робити її на окремих елементах ускладнюючи схему.

Хоча сучасні симістори управляються досить малим струмом і їх можна підключити безпосередньо (через обмежувальний резистор) до мікроконтролера, з міркувань безпеки доводиться їх включати через оптичні прилади, що розв'язують. Причому це стосується як ланцюгів управління симістором, а й ланцюгів контролю нуля.

Досить неоднозначний спосіб підключення навантаження. Так як з одного боку, вимагає активної участі мікроконтролера і щодо складного схемотехнічного рішення. З іншого боку, дозволяє дуже гнучко маніпулювати навантаженням. Ще один недолік застосування симісторів - велика кількість цифрового шуму, створюваного при їх роботі - потрібні ланцюги придушення.

Симистори досить широко використовуються, а в деяких областях просто незамінні, тому дістати їх не становить якихось проблем. Дуже часто в радіоаматорстві застосовують симістори типу BT138.

Для системи «Розумний дім» основним завданням є управління побутовими приладами з керуючого пристрою чи то мікроконтролер типу Ардуїно, чи мікрокомп'ютер типу Raspberry PI чи будь-яке інше. Але зробити цього безпосередньо не вийде, давайте розберемося як керувати навантаженням 220 В з Ардуїно.

Для управління ланцюгами змінного струму засобів мікроконтролера недостатньо з двох причин:

1. На виході мікроконтролераформується сигнал постійної напруги.

2. Струм через пін мікроконтролера зазвичай обмежений величиною 20-40 мА.

Ми маємо два варіанти комутації за допомогою реле або за допомогою симістора. Симистор може бути замінений двома включеними зустрічно-паралельно тиристорами (це і є внутрішня структура симистора). Давайте докладніше розглянемо це.

Управління навантаженням 220 В за допомогою симістора та мікроконтролера

Внутрішня структура симистора зображена нижче.

Тиристор працює наступним чином: коли до тиристору прикладено напругу в прямому зміщенні (плюс до анода, а мінус до катода) струм через нього проходити не буде, поки ви не подасте керуючий імпульс на електрод, що управляє.

Я написав імпульс не так. На відміну від транзистора тиристор є напівпровідниковим ключем. Це означає, що з зняття управляючого сигналу струм через тиристор продовжить протікати, тобто. він залишиться відкритим. Щоб він закрився, потрібно перервати струм у ланцюгу або змінити полярність прикладеної напруги.

Це означає, що при утриманні позитивного імпульсу на електроді, що управляє, потрібно тиристор в ланцюзі змінного струму буде пропускати тільки позитивну напівхвилю. Симистор може пропускати струм обох напрямах, але т.к. він складається з двох тиристорів, підключених назустріч один одному.

Керуючі імпульси по полярності для кожного з внутрішніх тиристорів повинні відповідати полярності відповідної напівхвилі, тільки при виконанні такої умови через симістор протікатиме змінний струм. На практиці така схема реалізована у поширеному.

Як я вже сказав, мікроконтролер видає сигнал тільки однієї полярності, для того щоб узгодити сигналу потрібно використовувати драйвер побудований на оптосимісторі.

Таким чином, сигнал включає внутрішній світлодіод оптопари, вона відкриває симістор, який подає керуючий сигнал на силовий симістор T1. Як оптодрайвер може бути використаний MOC3063 і подібні, наприклад, на фото нижче зображено MOC3041.

Zero crossing circuit - ланцюг детектора переходу фази через нуль. Потрібна для реалізації різноманітних симісторних регуляторів на мікроконтролері.

Якщо схема без оптодрайвера, де узгодження організовано через діодний міст, але у ній, на відміну попереднього варіанта немає гальванічної розв'язки. Це означає, що при першому стрибку напруги міст може пробити і висока напруга виявиться на виведенні мікроконтролера, а це погано.

При включенні/вимкненні потужного навантаження, особливо індуктивного характеру, типу двигунів і електромагнітів виникають сплески напруги, тому паралельно всім напівпровідникових приладів потрібно встановлювати RC ланцюг.

Реле та Ардуїно

Для управління реле з Ардуїно потрібно використовувати додатковий транзистор для посилення струму.

Зверніть увагу, використаний біполярний транзистор зворотної провідності (NPN-структура), це може бути вітчизняний КТ315 (коханий і всім відомий). Діод потрібен для гасіння сплесків ЕРС самоіндукції в індуктивності, це потрібно, щоб транзистор не вийшов з ладу від високої напруги. Чому це виникає, пояснить закон комутації: "Струм в індуктивності не може змінитися миттєво".

А при закритті транзистора (знятті імпульсу, що управляє) енергії магнітного поля накопиченої в котушці реле необхідно кудись подітися, тому і встановлюють зворотний діод. Ще раз зазначу, що діод підключений у Зворотньому напрямі, тобто. катодом до плюса, анодом до мінуса.

Таку схему можна зібрати своїми руками, що значно дешевше, плюс ви можете використовувати розраховане на будь-яку постійну напругу.

Або купити готовий модуль або цілий шилд з реле для Ардуїно :

На фото зображено саморобний шилд, до речі, у ньому використані для посилення струму КТ315Г, а нижче ви бачите такий самий шилд заводського виконання:

Висновок

Безпечне керування навантаженням змінного струму має на увазі насамперед вся описана вище інформація справедлива для будь-якого мікроконтролера, а не тільки плати Ардуїно.

Головне завдання - забезпечити потрібну напругу та струм для керування симістором або реле та гальванічна розв'язка ланцюгів керування та силового ланцюга змінного струму.

Крім безпеки для мікроконтролера, таким чином, ви підстрахуєте себе, щоб при обслуговуванні не отримати електротравму. При роботі з високою напругою потрібно дотримуватись усіх правил техніки безпеки, дотримуватись ПУЕ та ПТЕЕП.

Ці схеми можна використовувати і. Симистори і реле у разі виступають у ролі проміжного підсилювача і узгоджувача сигналів. На потужних комутаційних приладах великі струми керування котушкою залежать безпосередньо від потужності контактора або пускача.

Олексій Бартош

Реле Ардуно дозволяє підключити пристрої, що працюють у режимах із відносно великими струмами або напругою. Ми не можемо безпосередньо підключити до плати Arduino потужні насоси, двигуни, навіть звичайну лампочку розжарювання – плата не призначена для такого навантаження і не працюватиме. Саме тому нам доведеться додати у схему реле, яке ви можете зустріти у будь-якому проекті. У цій статті ми поговоримо про те, що таке реле, які вони бувають, як можна їх підключити до свого ардуїного проекту.

Реле – це шлюз, який дозволяє з'єднати разом електричні ланцюги з абсолютно різними параметрами. Звичайний шлюз на річці поєднує водні канали, розташовані на різній висоті, відкриваючи або закриваючи ворота. Реле ардуїно включає або вимикає зовнішні пристрої, певним чином замикаючи або розмикаючи окрему електричну мережу, в яку вони підключені. За допомогою ардуїно та реле ми керуємо процесом включення або вимикання так само, як вмикаємо або вимикаємо світло вдома – подаючи команду на замикання або розмикання. Ардуїно подає сигнал, саме замикання чи розмикання “потужної” ланцюга робитиме реле через спеціальні внутрішні механізми. Реле можна уявити як дистанційного пульта, з допомогою якого ми виконуємо потрібні дії з допомогою щодо “слабких” сигналів.

Реле характеризується такими параметрами:

• Напруга або струм спрацьовування.
• Напруга або струм відпускання.
• Час спрацьовування та відпускання.
• Робочі струм та напруга.
• Внутрішній опір.

Залежно від типу цих внутрішніх механізмів, що розмикають, і особливостях пристрою можна виділити дві основні групи реле: електромеханічні реле (включення за допомогою електромагніта) і твердотільні реле (включення через спеціальні напівпровідникові компоненти).

Електромагнітні та твердотільні реле

Електромагнітне реле

Електромагнітне реле - це електричний пристрій, який механічним шляхом замикає або розмикає ланцюг навантаження за допомогою магніту. складається з електромагніту, рухомого якоря та перемикача. Електромагніт - це провід, який намотаний на котушку з феромагнетика. У ролі якоря виступає пластина із магнітного матеріалу. У деяких моделях пристрою можуть бути вбудовані додаткові електронні компоненти: резистор для більш точного спрацьовування реле, конденсатор для зменшення перешкод, діод для усунення перенапруг.

Працює реле завдяки електромагнітній силі, що виникає в осерді при подачі струму по витках котушки. У вихідному стані пружина утримує якір. Коли подається управляючий сигнал, магніт починає притягувати якір і замикати чи розмикати ланцюг. При відключенні напруги якір повертається у початкове положення. Джерелами напруги, що управляє, можуть бути датчики (тиску, температури та інші), електричні мікросхеми та інші пристрої, які подають малий струм або мала напруга.

Електромагнітне реле застосовується у схемах автоматики, при керуванні різними технологічними установками, електроприводами та іншими пристроями. Реле призначене для регулювання напруги і струмів, може використовуватися як пристрій, що запам'ятовує або перетворює, також може фіксувати відхилення параметрів від нормальних значень.

Класифікація електромагнітних реле:

• Керуючий струм може бути як незмінним, так і змінним. У першому випадку пристрій може бути нейтральним чи поляризованим. Для змінного струму якір виконується з електротехнічної сталі, щоб зменшити втрати.
• Якірне або герконове реле. Для якірного процес замикання та розмикання відбувається за допомогою переміщення якоря, для герконового характерна відсутність сердечника, магнітне поле впливає на електрод з контактами.
• Швидкодія – до 50 мс, до 150 мс та від 1 с.
• Захисне покриття – герметизоване, зачохлене та відкрите.

У порівнянні з напівпровідниковими пристроями електромагнітне реле має переваги - воно коштує недорого, комутація великого навантаження при невеликому розмірі пристрою, мале виділення тепла на котушці. З недоліків можна виділити повільне спрацьовування, перешкоди та складність комутації індуктивних навантажень.

Твердотільні реле

Твердотільні реле вважаються гарною альтернативою електромагнітним, вони є модульним напівпровідниковим пристроєм, який виробляється за гібридною технологією. У складі реле є транзистори, симістори або тиристори. Порівняно з електромагнітними пристроями твердотільні реле мають ряд переваг:

• Довгий термін експлуатації.
• Швидкодія.
• Мінімальні розміри.
• Відсутні сторонні шуми, акустичні перешкоди, брязкіт контактів.
• Низьке споживання енергії.
• Високоякісна ізоляція.
• Стійкість до вібрації та ударів.
• Немає дугового розряду, що дозволяє працювати у вибухонебезпечних місцях.

Працюють за наступним принципом: подається керуючий сигнал на світлодіод, відбувається гальванічна розв'язка керуючого та комутованого ланцюгів, потім сигнал переходить на фотодіодну матрицю. Напруга регулює силовим ключем.

Твердотілі реле також мають кілька недоліків. По-перше, при комутації відбувається нагрівання пристрою. Підвищення температури пристрою призводить до обмеження регульованого струму – при температурах, що перевищують 60 градусів, зменшується величина струму, максимальна робоча температура – ​​80 градусів.

Твердотільні реле класифікуються за такими ознаками:

• Тип навантаження – однофазні та трифазні.
• Спосіб керування – комутація відбувається за рахунок постійної напруги, змінного чи ручного керування.
• Метод комутації: контроль переходу через нуль (застосовується для слабоіндуктивних, ємнісних та резистивних навантажень), випадкове включення (індуктивні та резистивні навантаження, яким необхідне миттєве спрацьовування) та фазове керування (зміна вихідної напруги, регулювання потужності, керування лампами розжарювання).

Реле у проектах Ардуїно

Найбільш поширене реле для плати Ардуїно виконується у вигляді модуля, наприклад SONGLE SRD-05VDC. Пристрій керується напругою 5, може комутувати до 10 А 30 В DC і 10 А 250 В AC.

Схема зображено малюнку. Реле складається з двох не пов'язаних між собою ланцюгів - керуючий ланцюг А1 і А2 і керований 1, 2 і 3.

Між А1 і А2 є металевий сердечник. Якщо пустити електричний струм, до нього притягнеться якір (2). 1, 3 – нерухомі контакти. За відсутності струму якір буде біля контакту 3.

Підключення реле до Ардуїно

Розглянемо одноканальний модуль реле. Він має всього 3 контакти, підключаються вони до Ардуїно Uno наступним чином: GND – GND, VCC – +5V, In – 3. Вхід реле – інвертований, тому високий рівень на In вимикає котушку, а низький – включає.

Світлодіоди потрібні для індикації – при загорянні червоного LED1 подається напруга на реле, загоряння зеленого LED2 відбувається замикання. Коли вмикається мікроконтролер, транзистор закритий. Для його відкриття на базу потрібен мінус, що подається за допомогою функції digitalWrite(pin, LOW);. Транзистор відкривається, протікає струм через ланцюг, реле спрацьовує. Щоб його вимкнути, на базу подається плюс за допомогою digitalWrite(pin, HIGH);

Схема підключення лампи та зовнішній вигляд макету представлені на малюнках.

Платформа для любителів робототехніки та автоматики славиться своєю модульною конструкцією та простотою роботи. Часом я натикаюся на рекламу, де заявляють, що можна зібрати свого робота, практично не будучи знайомим з електронікою. Але це зовсім так.

При неправильному підключенні деяких виконавчих пристроїв та механізмів ви можете спалити порти ардуїнки (про що я вже розповідав у статті про те, ). А якщо ви не знаєте, як поводитися з цифровими пристроями – у кращому випадку вам просто не вдасться встановити зв'язок.

Я купив кілька модулів для Ардуін, що робити далі?

Щоб дізнатися про особливості підключення, напруги живлення, логічні рівні та інше потрібно ознайомитися з даташитом на ваш модуль.

Datasheet або даташит - це технічна документація на виріб. Таку документацію можна завантажити на будь-яку мікросхему чи датчик. Зазвичай, вони є на сайті виробника. Більше того, в мережі існують спеціальні ресурси, на яких зібрано цілу масу технічної документації, одним з таких є http://www.alldatasheet.com/

Уважно ознайомтеся з інформацією з даташиту, але на що слід звернути увагу? По-перше, у мікросхеми, крім основної частини назви зазвичай є змінна частина або приставка - найчастіше це одна або кілька літер.

Це свідчить про деякі особливості конкретної мікросхеми, наприклад про максимальну потужність, напруги живлення і логічні рівні (якщо пристрій цифровий), можливо про корпус, в якому вона виконана і ін.

Якщо ви не знайшли в датасіті відомостей про харчування та лог. Зверніть увагу на російськомовні спільноти arduino, на їх форумах зазвичай розглянуті особливості всіх поширених модулів.

У ArduinoUno напруга живлення та логічних рівнів 5 В, якщо зовнішній пристрій працює в 3.3 В діапазоні - вам доведеться сформувати їх, живлення можна влаштувати за допомогою LDO стабілізатора (лінійних з низьким падінням, для стабілізації йому потрібно не менше 1.3 вольт «зайвої напруги при максимальному струмі, проти 2-х вольт на стабілізаторах 78xx серії, що дозволяє отримати 3.3 вольта від 4.5 вольт (трьох пальчикових батарейок).

У технічній документації для цифрових датчиків і пристроїв також зазначаються і назви протоколів, якими вони «спілкуються» друг з одним. Це можуть бути індивідуальні протоколи та стандартні, такі ж:

Ардуїно працює з ними. Це полегшить вам завдання пошуку готових бібліотек і прикладів коду.

Узгодження та посилення сигналів

Питання узгодження механізмів і виконавчих механізмів з ардуїною часто виникають у новачків. Ми розглянемо такі, що часто зустрічаються:

1. Узгодження ланцюгів за напругою.

2. Узгодження потужності вихідного піна та виконавчого пристрою, іншими словами посилення напруги та/або струму.

Що робити, якщо на моєму модулі логічні рівні 3.3 Вольта, а на ардуїно 5 Вольт? Досить просто використовувати конвертер логічно рівнів. Його можна зібрати з дискретних елементів, а можна придбати готовий модуль на платі, наприклад:

Такий перетворювач двонаправлений, тобто. він знижує високий рівень і підвищує низький у відповідь. LV(1,2,3,4) - майданчики для підключення низькорівневих сигналів, HV(1,2,3,4) - високих рівнів, HV і LV без цифр - це напруги 5 і 3.3 Вольта, як і джерел перетворюваних сигналів , GND – земля або мінусовий провід. У конкретному примірнику є 4 незалежні канали.

Імовірність появи високого потенціалу на платі ардуїно у разі дуже мала, це забезпечується відсутністю електричного контакту, а зв'язок здійснюється через оптичний канал, тобто. за допомогою світла. Докладніше про це ви можете дізнатися вивчивши фото- та оптоелектронні прилади.

Якщо і станеться великий стрибок - згорить оптопара, на картинці це PC8171, але ніяк ви не перевантажите порти мікроконтролера.

Підключення потужних споживачів

Так як мікроконтролер може тільки керувати роботою пристроїв, ви не можете підключити потужний споживач до її порту. Приклади таких споживачів:

Електродвигуни;

Сервоприводи.

1. Підключення сервоприводу

Основне завдання сервоприводу - це встановити положення ротора підключеного до виконавчих механізмів, контролювати і змінювати його за допомогою малих зусиль. Тобто, за допомогою потенціометра, якщо сервопривід розрахований на обертання в межах половини обороту (180 градусів) або за допомогою енкодера, якщо необхідно кругове обертання (360 градусів) можете керувати положенням валу сервоприводу (електродвигуна в нашому випадку) довільної потужності.

Багато любителів робототехніки використовують ардуїну як основу своїх роботів. Тут сервоприводи знайшли чудове застосування. Їх використовують як привод поворотних механізмів для камер, датчиків і механічних рук. Радіомоделісти використовують для приводу повороту коліс у моделях автомобілів. У промисловості використовують великі приводи в ЧПУ верстатах та іншій автоматизації.

У маленьких аматорських сервах плата з датчиком положення і електронікою вбудована в корпус. З них зазвичай виходить три дроти:

Червоний - плюс живлення, якщо потужний привід краще підключати до зовнішнього джерела, а не до плати ардуїно;

Чорний або коричневий - мінус, за підключенням також, як і плюс;

Жовтий або помаранчевий - сигнал керування - його подають з цифрового піна мікроконтролера (digital out).

Для керування сервою передбачена спеціальна бібліотека, звернення до неї оголошується на початку коду командою "#include servo.h".

Підключення електродвигуна

Для руху механізмів і регулювання швидкості їх обертання найпростіше використовувати ДПТ (щітковий двигун постійного струму з збудженням від постійних магнітів). Такі моторчики ви, напевно, бачили в машинах радіокерованих. Вони легко реверсуються (включаються на обертання в потрібному напрямку), потрібно просто змінити полярність. Не намагайтеся підключити їх до пін прямо!

Найкраще використовувати транзистор. Підійде хоч прямий (pnp), хоч зворотної (npn) провідності. Польові теж підійдуть, але при виборі конкретного переконаєтеся, чи працює його затвор із логічними рівнями?

В іншому випадку він не буде відкриватися повністю, або ви спалите цифровий вихід мікроконтролера під час заряду ємності затвора - для них використовують драйвер, найпростіший спосіб - розгойдування сигналу через біполярний транзистор. Нижче наведено схему управління через .

Якщо між G і S не поставити резистора - тоді затвор (G) не буде притягнутий до землі і може спонтанно "гуляти" від перешкод.

Як визначити, що польовий транзистор придатний для прямого керування з мікроконтролера дивіться нижче. У даташіті знайдіть параметр Vgs, наприклад для IRL540 всі вимірювання та графіки прив'язані до Vgs=5v, навіть такий параметр, як опору відкритого каналу вказаний для цього напруги між затвором і витоком.

Крім щіткового ДПТ за такою ж схемою можна підключити кулер від комп'ютера, хоча там безщітковий двигун, обмотки якого керуються вбудованим перетворювачем, плата якого розташована прямо в його корпусі.

Оберти цих двох типів двигунів легко регулювати змінюючи напругу живлення. Це можна зробити, якщо базу транзистора підключити над цифровому (digital output), а шим піну (~pwm), значення якого визначається функцією "analogWrite()".

Реле та соленоїди

Для комутації ланцюгів, де не потрібне регулювання та часте перемикання зручно використовувати реле. Правильно підібравши відповідне, ви можете комутувати будь-які струми та напруги при мінімальних втратах у провідності та нагріванні силових ліній.

Для цього потрібно подати напругу потрібної на котушку реле. На схемі реле, його котушка розрахована на управління 5 вольтами, силові контакти можуть комутувати і пару вольт і мережні 220 В.

Привід замків дверей;

Електромагнітні клапани;

Електромагніт у металургійному виробництві;

Силова установка гармати гауса та інше.

У будь-якому випадку типова схема підключення котушок постійного струму до мікроконтролера або логіки виглядає так:

Транзистор для посилення керуючого струму діод підключений у зворотному напрямку для захисту виходу мікроконтролера від сплесків ЕРС самоіндукції.

Пристрої введення та датчики

Ви можете керувати своєю системою за допомогою кнопок, резисторів, енкодерів. Кнопкою можна подати сигнал на цифровий вхід ардуїни високого (high/5V) або низького (low/0V) рівня.

Для цього є два варіанти включення. Потрібна нормально-розімкнена кнопка без фіксації для деяких цілей потрібен тумблер або кнопка з фіксацією – вибирайте самі залежно від ситуації. Щоб подати одиницю, потрібно перший контакт кнопки підключити до джерела живлення, а другий до точки з'єднання резистора і входу мікроконтролера.

Коли кнопка натиснута на опорі, падає напруга живлення, тобто високий (high) рівень. Коли кнопка не натиснута - струму в ланцюзі немає, потенціал на резистори низький, на вхід подається сигнал "Low/0V". Цей стан називається "пін підтягнутий до землі, а резистор "pull-down".

Якщо потрібно, щоб при натисканні на кнопку мікроконтролер отримував 0 замість 1, підключіть за цією ж схемою нормально-замкнену кнопку або читайте далі як це зробити з нормально-розімкнутою.

Щоб давати мікроконтролеру команду нульовим сигналом, схема трохи змінюється. До напруги живлення підключається одна нога резистора, друга до точки з'єднання нормально-розімкнутої кнопки та цифрового входу ардуїни.

Коли кнопка відпущена вся напруга залишається на ній, вхід отримує високий рівень. Цей стан називається "пін підтягнутий до плюса", а резистор "pull-up". Коли ви натиснете кнопку, ви шунтуєте (замикаєте) вхід на землю.

Дільник напруги та введення сигналу з потенціометра та резистивних аналогових

Дільник напруги застосовується для підключення змінних опорів, таких як терморезистори, фоторезистори та інше. За рахунок того, що один з резисторів постійний, а другий змінний - можна спостерігати зміну напруги в їхній середній точці, на малюнку вище воно позначено, як Ur.

Таким чином можна підключати різні аналогові датчики резистивного типу та датчики, які під впливом зовнішніх сил змінюють свою провідність. А також потенціометри.

На зображенні нижче ви бачите приклад підключення таких елементів. Потенціометр можна підключати без додаткового резистора, тоді в крайньому положенні буде повна напруга, однак у мінімальному положенні потрібно забезпечити стабілізацію або обмеження струму - інакше буде .

Висновки

Щоб без помилок підключити будь-який модуль і доповнення до мікроконтролера, потрібно знати основи електротехніки, закон Ома, загальні відомості про електромагнетизм, а також основи роботи напівпровідникових приладів. Насправді ви можете переконатися, що це набагато простіше зробити, ніж слухати ці складні слова. Користуйтеся схемами цієї статті у своїх проектах!

Олексій Бартош

Транзистор – повсюдний та важливий компонент у сучасній мікроелектроніці. Його призначення просте: він дозволяє за допомогою слабкого сигналу керувати набагато сильнішим.

Зокрема, його можна використовувати як керовану «заслінку»: відсутністю сигналу на «воротах» блокувати перебіг струму, подачею - дозволяти. Іншими словами: це кнопка, яка натискається не пальцем, а подачею напруги. У цифровій електроніці таке застосування є найбільш поширеним.

Транзистори випускаються в різних корпусах: той самий транзистор може зовні виглядати зовсім по-різному. У прототипуванні найчастіше зустрічаються корпуси:

TO-92 – компактний, для невеликих навантажень

TO-220AB - масивний тепло, що добре розсіює, для великих навантажень

Позначення на схемах також варіюється в залежності від типу транзистора та стандарту позначень, який використовувався при складанні. Але незалежно від варіації, його символ залишається пізнаваним.

Біполярні транзистори

Біполярні транзистори (BJT, Bipolar Junction Transistors) мають три контакти:

Колектор (collector) - на нього подається висока напруга, якою хочеться керувати

База (base) – через неї подається невеликий струмщоб розблокувати великий; база заземляється, щоб заблокувати його

Еміттер (emitter) – через нього проходить струм з колектора та бази, коли транзистор «відкритий»

Основною характеристикою біполярного транзистора є показник h feтакож відомий як gain. Він відображає у скільки разів більший струм по ділянці колектор-емітер здатний пропустити транзистор по відношенню до струму база-емітер.

Наприклад, якщо h fe= 100 і через базу проходить 0.1 мА, то транзистор пропустить через себе як максимум 10 мА. Якщо в цьому випадку на ділянці з великим струмом знаходиться компонент, який споживає, наприклад 8 мА, йому буде надано 8 мА, а транзистор залишиться «запас». Якщо є компонент, який споживає 20 мА, йому будуть надані тільки максимальні 10 мА.

Також у документації до кожного транзистора вказані максимально допустимі напруги та струми на контактах. Перевищення цих величин веде до надмірного нагрівання та скорочення служби, а сильне перевищення може призвести до руйнування.

NPN та PNP

Описаний вище транзистор це так званий NPN-транзистор. Називається він так через те, що складається з трьох шарів кремнію, з'єднаних у порядку: Negative-Positive-Negative. Де negative - це сплав кремнію, що має надлишок негативних переносників заряду (n-doped), а positive - з надлишком позитивних (p-doped).

NPN більш ефективні та поширені в промисловості.

PNP-транзистори при позначенні відрізняються напрямом стрілки. Стрілка завжди вказує від P до N. PNP-транзистори відрізняються «перевернутою» поведінкою: струм не блокується, коли база заземлена і блокується, коли через неї йде струм.

Польові транзистори

Польові транзистори (FET, Field Effect Transistor) мають те саме призначення, але відрізняються внутрішнім пристроєм. Приватним видом цих компонентів є транзистори MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Вони дозволяють оперувати набагато більшими потужностями за тих же розмірів. А керування самою «заслінкою» здійснюється виключно за допомогою напруги: Струм через затвор, на відміну від біполярних транзисторів, не йде.

Польові транзистори мають три контакти:

Сток (drain) - на нього подається висока напруга, якою хочеться керувати

Затвор (gate) - на нього подається напруга, щоб дозволити перебіг струму; затвор заземлюється, щоб заблокувати струм.

Виток (source) – через нього проходить струм зі стоку, коли транзистор «відкритий»

N-Channel та P-Channel

За аналогією з біполярними транзисторами, польові відрізняються полярністю. Вище описано N-Channel транзистор. Вони найпоширеніші.

P-Channel при позначенні відрізняється напрямком стрілки і, знову ж таки, має «перевернуту» поведінку.

Підключення транзисторів для керування потужними компонентами

Типовим завданням мікроконтролера є включення та вимкнення певного компонента схеми. Сам мікроконтролер зазвичай має скромні характеристики щодо потужності, що витримується. Так Ардуїно, при видаваних на контакт 5 витримує струм в 40 мА. Потужні мотори або надяскраві світлодіоди можуть споживати сотні міліамперів. При підключенні таких навантажень чіп може швидко вийти з ладу. Крім того, для працездатності деяких компонентів потрібна напруга більша, ніж 5 В, а Ардуїно з вихідного контакту (digital output pin) більше 5 В не може видати в принципі.

Зате його з легкістю вистачить для керування транзистором, який у свою чергу керуватиме великим струмом. Допустимо, нам потрібно підключити довгу світлодіодну стрічку, яка вимагає 12 В і при цьому споживає 100 мА:

Тепер при встановленні виходу в логічну одиницю (high), що надходять на базу 5, відкриють транзистор і через стрічку потече струм - вона буде світитися. При встановленні виходу в логічний нуль (low) база буде заземлена через мікроконтролер, а перебіг струму заблоковано.

Зверніть увагу на струмообмежуючий резистор R. Він необхідний, щоб при подачі напруги, що управляє, не утворилося коротке замикання за маршрутом мікроконтролер - транзистор - земля. Головне - не перевищити допустимий струм через контакт Ардуїно в 40 мА, тому потрібно використовувати резистор номіналом не менше:

тут U d- це падіння напруги на самому транзисторі. Воно залежить від матеріалу з якого він виготовлений і зазвичай становить 0,3 - 0,6 В.

Але не обов'язково тримати струм на межі допустимого. Необхідно лише, щоб показник gain транзистора дозволив керувати необхідним струмом. У нашому випадку – це 100 мА. Допустимо для використовуваного транзистора h fe= 100, тоді нам буде достатньо керуючого струму 1 мА

Нам підійде резистор номіналом від 118 Ом до 4.7 кОм. Для стійкої роботи з одного боку та невеликого навантаження на чіп з іншого, 2.2 кОм – гарний вибір.

Якщо замість біполярного транзистора використовувати польовий, можна уникнути резистора:

це пов'язано з тим, що затвор у таких транзисторах керується виключно напругою: струм на ділянці мікроконтролера - затвора - джерело відсутнє. А завдяки своїм високим характеристикам схема із використанням MOSFET дозволяє керувати дуже потужними компонентами.