В этой статье рассматриваются важные драйверы и правильные схемы, необходимые для безопасного подключения внешних устройств к вводу/выводу MCU (микроконтроллер, англ. - Microcontroller Unit, MCU).

Введение

Как только у вас возникнет идея для проекта, очень заманчиво перейти прямо к подключению Arduino к схемам и устройствам, таким как светодиоды, реле и динамики. Однако делать это без правильной схемы может оказаться фатальным для вашего микроконтроллера.

Многие устройства ввода/вывода потребляют много тока (> 100 мА), которые большинство микроконтроллеров не могут обеспечить в безопасном режиме, а когда они пытаются обеспечить такое количество тока, они часто ломаются. Здесь нам на помощь приходят специальные схемы, которые называются «драйверы» (англ. - drivers). Драйверы - это схемы, которые могут принимать небольшой слабый сигнал от микроконтроллера, а затем использовать этот сигнал для управления каким-либо энергопотребляющим устройством.

Для правильной работы микроконтроллеров с внешними устройствами иногда требуются специальные схемы. Эти внешние устройства включают:

• Цепи драйвера
• Схемы защиты входа
• Схемы защиты выхода
• Цепи изоляции

Итак, давайте посмотрим на некоторые из этих схем и на то как они работают!

Простой светодиодный (LED) драйвер

Эта простая схема удобна для управления светодиодами с высоким энергопотреблением с помощью микроконтроллеров, где выход микроконтроллера подключен к «IN».

Когда микроконтроллер выводит 0, транзистор Q1 отключается, а также светодиод D1. Когда микроконтроллер выводит 1, транзистор включается, и поэтому D1 также включается. Значение R1 зависит от выходного напряжения вашего микроконтроллера, но значения между 1KΩ ~ 10KΩ часто работают хорошо. Значение R2 зависит от размера нагрузки, которую вы питаете, и эта схема подходит для питания устройств до 1А и не более.

Простой релейный драйвер

Устройствам, которые потребляют более 1 А тока и будут включаться и выключаться раз в несколько секунд, лучше подойдут реле.

Хотя реле достаточно просты (небольшой электромагнит, который привлекает металлический рычаг для замыкания схемы), они не могут управляться непосредственно микроконтроллером.

Для обычных реле требуются токи около 60 мА ~ 100 мА, что слишком много для большинства микроконтроллеров, поэтому реле требуют схему с использованием управления транзистором (как показано выше). Однако вместо резистора, который необходимо использовать для ограничения тока, требуется обратный диод защиты (D1).

Когда микроконтроллер (подключенный к «IN»), выдает 1, тогда включается транзистор Q1. Это включает реле RL1, и в результате загорается лампа (R2). Если микроконтроллер выводит 0, то транзистор Q1 отключается, что отключает реле, и поэтому лампа выключается.

Реле очень часто встречаются в схемах, требующих переключения цепей электропитания переменного тока, и доступны для переключения 230В и 13А (подходит для тостеров, чайников, компьютеров и пылесосов).

Кнопки

При подключении кнопки к микроконтроллеру могут иногда возникнуть простые проблемы. Первая (и самая раздражающая проблема) возникает в виде отскока, когда кнопка посылает много сигналов при нажатии и отпускании.

Кнопки обычно представляют собой кусок металла, который при контакте соприкасается с каким-то другим металлом, но когда кнопки вступают в контакт, они часто отскакивают (хотя они чаще всего крошечные). Этот отскок означает, что кнопка соединяется и отключается несколько раз, прежде чем зафиксироваться, а в итоге - результат, который ненадолго выглядит случайным. Поскольку микроконтроллеры очень быстрые, они могут поймать этот отскок и выполнять события нажатия кнопки несколько раз. Чтобы избавиться от отскока, можно использовать схему ниже. Схема, показанная здесь, представляет собой очень тривиальную схему, которая хорошо работает и проста в построении.

Защита входа: напряжение

Не все устройства ввода будут дружественными к вашему микроконтроллеру, а некоторые источники могут даже нанести ущерб. Если у вас есть источники входного сигнала, которые поступают из окружающей среды (например, датчик напряжения, датчик дождя, человеческий контакт) или источники входного сигнала, которые могут вывести напряжения, превышающие то, что может обрабатывать микроконтроллер (например, цепи индуктора), тогда вам потребуется включать некоторую защиту ввода напряжения. Схема, показанная ниже, использует 5V стабилитронов для ограничения входных напряжений, так что входное напряжение не может превышать 5 В и ниже 0 В. Резистор 100R используется для предотвращения слишком большого тока, когда диод Зенера захватывает входное напряжение.

Защита ввода/вывода: ток

Входы и выходы микроконтроллеров иногда могут быть защищены от слишком большого тока. Если устройство, такое как светодиод, потребляет меньше тока, чем максимальный выходной ток от микроконтроллера, тогда светодиод может быть напрямую подключен к микроконтроллеру. Тем не менее, последовательный резистор будет по-прежнему необходим, как показано ниже, а общие значения последовательных резисторов для светодиодов включают в себя 470 Ом, 1 кОм и даже 2,2 кОм. Серии резисторов также полезны для входных контактов в редких случаях, когда неисправны контакты микроконтроллеров или входное устройство испытывает всплеск выходного тока.

Преобразователи уровня

В прошлом большинство сигналов в цепи работало бы на одном и том же напряжении, и это напряжение обычно составляло 5 В. Однако с увеличением технологических возможностей современной электроники снижается напряжение на новых устройствах. Из-за этого многие схемы включают смешанные сигналы, в которых более старые части могут работать при напряжении 5 В, в то время как более новые части работают при напряжении 3,3 В.

Хотя многие радиолюбители предпочли бы использовать один уровень напряжения, правда состоит в том, что более старые 5-вольтовые части могут не работать на 3,3 В, в то время как более новые устройства 3,3 В не могут работать при более высоком напряжении 5 В. Если устройство 5V и устройство 3.3V хотят общаться, то требуется сдвиг уровня, который преобразует один сигнал напряжения в другой. Некоторые устройства с напряжением 3,3 В имеют 5 В "толерантность", что означает, что сигнал 5 В может напрямую подключаться к сигналу 3,3 В, но большинство устройств 5 В не могут переносить 3.3 В. Чтобы охватить оба варианта, приведенные ниже схемы показывают преобразование от 5 до 3,3 В и наоборот.

Изоляция: Оптоизолятор

Иногда схема, с которой должен взаимодействовать микроконтроллер, может представлять слишком много проблем, таких как электростатический разряд (ESD), широкие колебания напряжения и непредсказуемость. В таких ситуациях мы можем использовать устройство, называемое оптоизолятором, которое позволяет двум цепям общаться, не будучи физически соединенными друг с другом с помощью проводов.

Оптоизоляторы взаимодействуют с использованием света, когда одна цепь излучает свет, который затем обнаруживается другой схемой. Это означает, что оптоизоляторы не используются для аналоговой связи (например, уровни напряжения), но вместо этого для цифровой связи, где выход включен или выключен. Оптоизоляторы могут использоваться как для входов, так и для выходов на микроконтроллеры, где входы или выходы могут быть потенциально опасны для микроконтроллера. Интересно, что оптоизоляторы также могут использоваться для смещения уровня!

Для подключения нагрузки к микроконтроллеру понадобятся следующие вещи:

• сам микроконтроллер
• биполярный транзистор NPN типа
• два резистора R1(500Ом) и R2(5кОм)

Составление схемы подключения нагрузки

Итак. Максимальный ток на вывод микроконтроллера составляет 20мА, напряжение на выходе составляет 5В. К примеру, мы хотим подключить к микроконтроллеру шаговый двигатель постоянного тока с управляющим напряжением 12В, током 200мА. Схема подключения следующая:

Подключение нагрузки к микроконтроллеру

Расчет управляющего транзистора

Раз ток вывода микроконтроллера может составлять максимум 20мА, а получить на нужно 200мА, то необходимо подобрать NPN транзистор с минимальным коэффициентом усиления

hFE = 200мА / 20мА = 10

Вообще говоря, плохим тоном считается выдавать из микрика максимальные 20мА, поэтому давайте рассчитывать на выход 10мА. Итак, настроились на снижение нагрузки на наш микроконтроллер вдвое, теперь будем подбирать транзистор с минимальным коэффициентом

hFE = 200мА / 10мА = 20

В таком случае максимальный ток коллектора, а соответственно и ток нагрузки составит

Ic=Ib*hFE=0,01А*20=0,2А=200мА

Итак, выберем любой подходящий нам транзистор, например буржуйский BC337 .

Характеристики биполярного NPN транзистора BC337 следующие:

• Vcb max = 50V
• Vce max = 45V
• Veb max = 5V
• Ic max = 0.8A
• hFE = 100

О, Боже! hFE=100! Это значит, что ток на нагрузке будет равен Ic=0,01*100=1А?

Нет! В этом случае транзистор откроется нараспашку, будет готов выдавать максимально допустимый для него ток 0,8А(см.характеристики выше), но фактически ток в цепи коллектор-эмиттер составит ток потребления двигателя (в нашем случае двигатель «кушает» 200мА).

Расчет ограничительного резистора

В первую очередь нам необходимо подобрать резистор R1 для того, чтобы он ограничивал ток, выходящий из микроконтроллера . Расчет простой: необходимо напряжение питания 5В поделить на максимальный ток базы 10мА

R1 = 5В / 0.01А = 500Ом

Резистор R2 не является нагрузкой , он нужен для того, чтобы после снятия напряжения с базы, остатки тока между микроконтроллером и базой транзистора стравливались на землю. Иначе возможен случай, когда транзистор останется в открытом состоянии после снятия управляющего импульса. Рекомендуемый номинал резистора R2 — в 10 раз больше R1

Многие начинающие радиолюбители начинают знакомится с электроникой с простых схем, которых полно в интернете. Но если это устройство управления, в котором к схеме подключается какой-то исполнительный механизм, а в схеме способ подключения не указан, то тогда новичку приходится туго. Данная статья была написана с целью помощи начинающим радиолюбителям разобраться с этой проблемой.

Нагрузки постоянного тока.

Первый способ - подключение через резистор

Самый простой способ - подходит для несильноточных нагрузок - светодиодов.

Rгас = (U/ I) – Rн

Где U - напряжение питания(в Вольтах), I - допустимый ток через схему(в Амперах), Rн - сопротивление нагрузки(в Омах)

Второй способ - Биполярный транзистор

Если потребляемый ток нагрузки больше, чем максимальный отдаваемый ток Вашего устройства, то резистор тут не поможет. Нужно увеличить ток. Для этого обычно испоьзуют транзисторы.

В данной схеме применен n-p-n транзистор, включенный по схеме ОЭ. При таком способе можно подключать нагрузку с большим напряжением питания, чем питание Вашего устройства. Резистор R1 нужен для ограничения тока, протекающего через транзистор, обычно ставится на 1-10 кОм.

Третий способ - полевой транзистор

Для управления нагрузкой, ток которой составляет десятки ампер(особо мощные электродвигатели, лампы и тд) применяется полевой транзистор.

Резистор R1 ограничивает ток через затвор. Так как полевой транзистор управляется малыми токами и если выход Вашего устройства, к которому подключен затвор, окажется в высокоимпедансном Z-состоянии полевик начнет открываться-закрываться непредсказуемо, вылавливая помехи. Для устранения такого поведения выход устройства «прижимается» к земле резистором 10кОм.
У полевого транзистора есть особенность - его медлительность. При превышении допустимой частоты он станет перегреватся.

Переменный ток.

Первый способ - реле.

Самым простым способом управления нагрузкой переменного тока является реле. Реле, само по себе является сильноточной нагрузкой - нужно включать через биполярный или полевой транзистор.

Недостатки реле - его медлительность и механический износ деталей.

Что нужно для того, чтобы стать профессиональным разработчиком программ для микроконтроллеров и выйти на такой уровень мастерства, который позволит с лёгкостью найти и устроиться на работу с высокой зарплатой (средняя зарплата программиста микроконтроллеров по России на начало 2017 года составляет 80 000 рублей). ...

Как вы понимаете, мощную и/или высоковольтную нагрузку (такую как лампы накаливания, электродвигатели, электронагревательные элементы и т.п.) нельзя напрямую подключить к . Потому что выходы микроконтроллера:

1. Не рассчитаны на работу с высоким напряжением.
2. Не рассчитаны на управление мощной нагрузкой (нагрузкой, которая потребляет большой ток).
3. Не имеют гальванической развязки (иногда это важно даже при управлении слаботочной нагрузкой).

Из этого следует, что для управления с помощью микроконтроллера мощной нагрузкой необходимо применять какие-то хитрые способы сопряжения выходов микроконтроллера с нагрузкой. Этих способов несколько:

1. Подключение нагрузки через твёрдотельное реле.

Более подробно эти виды подключения будут рассмотрены в соответствующих статьях. А здесь я буду говорить только о достоинствах и недостатках этих способов.

Подключение нагрузки через оптрон

Итак, один из наиболее простых способов - это подключение через оптрон (фотосемистор, фототиристор и т.п.).

Этот способ подходит для управления активной нагрузкой, такой как лампы накаливания, электронагреватели и т.п. Его преимуществами являются наличие гальванической развязки, относительная простота подключения и дешевизна оптронов. Серьёзный недостаток, пожалуй, один. Но довольно существенный - при управлении индуктивной нагрузкой, такой как электродвигатели, симистор/тиристор оптрона может самопроизвольно открыться (без команды от микроконтроллера). Так что для такого случая придётся принимать дополнительные меры, усложняющие устройство на микроконтроллере .

Подключение нагрузки через транзистор

Тоже выполняется довольно просто. Стоимость обычных транзисторов тоже относительно невелика. Это плюс.

Минусы - можно управлять только нагрузкой постоянного тока (речь идёт о дешёвых биполярных транзисторах). Причём напряжение нагрузки тоже по возможности должно быть небольшим. Потому что высоковольтные транзисторы стоят уже не очень дёшево (а некоторые и очень дорого).

Ещё один недостаток - отсутствие гальванической развязки между нагрузкой и .

И, также как в случае с оптроном - надо хотя бы немного разбираться в электронике, чтобы подобрать правильный транзистор и рассчитать схему включения самого транзистора и дополнительных резисторов.

Подключение нагрузки через электромагнитное реле

Подключить электромагнитное реле проще простого. Но это только на первый взгляд. На самом деле тоже есть особенности, которые надо знать (расскажу о них в соответствующей статье). Иначе можно просто вывести из строя выход микроконтроллера.

Преимущества электромагнитного реле:

1. Низкая цена.
2. Можно управлять нагрузкой практически любой мощности и напряжения.
3. Можно управлять нагрузкой как постоянного, так и переменного тока.
4. Можно управлять как активной, так и индуктивной нагрузкой без каких-либо дополнительных ухищрений.
5. Есть гальваническая развязка между выходом микроконтроллера и нагрузкой.
6. Не требуется особых познаний в электронике, чтобы подобрать реле под нагрузку.

Недостатки:

1. Необходимо принимать дополнительные меры для защиты выхода микроконтроллера.
2. Относительно низкое быстродействие (реле переключается существенно медленнее, чем полупроводниковые приборы - иногда это важно).
3. Большие габариты и вес. Хотя современные реле довольно миниатюрны, их размеры и вес всё-равно больше, чем размеры полупроводниковых приборов.
4. Относительно низкий ресурс. Так как в реле имеются контакты, то ресурс реле ниже, чем у полупроводников. Из-за искрения контакты быстрее выходят из строя. Хотя, как показывает практика, качественные реле могут работать десятки лет без поломок.

Подключение нагрузки через твёрдотельное реле

Твёрдотельное реле - это полупроводниковый прибор, который объединяет в себе, например, фотосимистор и всю необходимую для его управления обвязку. То есть твёрдотельное реле можно просто подключить к выходу микроконтроллера, не заботясь о том, какое сопротивление должны иметь гасящие резисторы и т.п.

Однако использовать твёрдотельные реле сложнее, чем обычные реле. Потому как у твёрдотельных реле довольно много разных характеристик, в которых надо разбираться. Впрочем, изучить эту тему несложно.

Недостаток у твёрдотельного реле, пожалуй, один - это высокая цена. Твёрдотельное реле, как правило, стоит в 5...10 раз дороже обычного электромагнитного реле (то есть это сотни и тысячи рублей за штуку).

Выводы

Какой прибор в каких случаях использовать - определяется из задачи и условий эксплуатации устройства, которое вы проектируете. Здесь всё довольно непросто - придётся вам разбираться самим (я пока не готов всё это описывать))).

Если вы немного запутались и не можете выбрать, что же использовать в вашем устройстве, то совет могу дать такой:

1. Для активной нагрузки постоянного тока низкого напряжения (до 50 В) используйте транзисторы.
2. Для любых нагрузок переменного тока и для мощных высоковольтных нагрузок постоянного тока используйте электромагнитные реле.
3. Ну а вообще думайте, что и как использовать, в зависимости от технических требований к устройству.

Если вы только начинаете разрабатывать устройства, то это вполне пригодный совет. Ну а когда наберётесь опыта, то уже сами сможете определять, какие и когда приборы использовать.

Привет, Geektimes!

Управление мощными нагрузками - достаточно популярная тема среди людей, так или иначе касающихся автоматизации дома, причём в общем-то независимо от платформы: будь то Arduino, Rapsberry Pi, Unwired One или иная платформа, включать-выключать ей какой-нибудь обогреватель, котёл или канальный вентилятор рано или поздно приходится.

Традиционная дилемма здесь - чем, собственно, коммутировать. Как убедились многие на своём печальном опыте, китайские реле не обладают должной надёжностью - при коммутации мощной индуктивной нагрузки контакты сильно искрят, и в один прекрасный момент могут попросту залипнуть. Приходится ставить два реле - второе для подстраховки на размыкание.

Вместо реле можно поставить симистор или твердотельное реле (по сути, тот же тиристор или полевик со схемой управления логическим сигналом и опторазвязкой в одном корпусе), но у них другой минус - они греются. Соответственно, нужен радиатор, что увеличивает габариты конструкции.

Я же хочу рассказать про простую и довольно очевидную, но при этом редко встречающуюся схему, умеющую вот такое:

• Гальваническая развязка входа и нагрузки
• Коммутация индуктивных нагрузок без выбросов тока и напряжения
• Отсутствие значимого тепловыделения даже на максимальной мощности

Но сначала - чуть-чуть иллюстраций. Во всех случаях использовались реле TTI серий TRJ и TRIL, а в качестве нагрузки - пылесос мощностью 650 Вт.

Классическая схема - подключаем пылесос через обычное реле. Потом подключаем к пылесосу осциллограф (Осторожно! Либо осциллограф, либо пылесос - а лучше оба - должны быть гальванически развязаны от земли! Пальцами и яйцами в солонку не лазить! С 220 В не шутят!) и смотрим.

Включаем:

Пришлось почти на максимум сетевого напряжения (пытаться привязать электромагнитное реле к переходу через ноль - задача гиблая: оно слишком медленное). В обе стороны бабахнуло коротким выбросом с почти вертикальными фронтами, во все стороны полетели помехи. Ожидаемо.

Выключаем:

Резкое пропадание напряжения на индуктивной нагрузке не сулит ничего хорошего - ввысь полетел выброс. Кроме того, видите вот эти помехи на синусоиде за миллисекунды до собственно отключения? Это искрение начавших размыкаться контактов реле, из-за которого они однажды и прикипят.

Итак, «голым» реле коммутировать индуктивную нагрузку плохо. Что сделаем? Попробуем добавить снаббер - RC-цепочку из резистора 120 Ом и конденсатора 0,15 мкФ.

Включаем:

Лучше, но не сильно. Выброс сбавил в высоте, но в целом сохранился.

Выключаем:

Та же картина. Мусор остался, более того, осталось искрение контактов реле, хоть и сильно уменьшившееся.

Вывод: со снаббером лучше, чем без снаббера, но глобально проблемы он не решает. Тем не менее, если вы желаете коммутировать индуктивные нагрузки обычным реле - ставьте снаббер. Номиналы надо подбирать по конкретной нагрузке, но 1-Вт резистор на 100-120 Ом и конденсатор на 0,1 мкФ выглядят разумным вариантом для данного случая.

Литература по теме: Agilent - Application Note 1399, «Maximizing the Life Span of Your Relays ». При работе реле на худший тип нагрузки - мотор, который, помимо индуктивности, при старте имеет ещё и очень низкое сопротивление - добрые авторы рекомендуют уменьшить паспортный ресурс реле в пять раз .

А теперь сделаем ход конём - объединим симистор, симисторный драйвер с детектированием нуля и реле в одну схему.

Что есть на этой схеме? Слева - вход. При подаче на него «1» конденсатор C2 практически мгновенно заряжается через R1 и нижнюю половину D1; оптореле VO1 включается, дожидается ближайшего перехода через ноль (MOC3063 - со встроенной схемой детектора нуля) и включает симистор D4. Нагрузка запускается.

Конденсатор C1 заряжается через цепочку из R1 и R2, на что уходит примерно t=RC ~ 100 мс. Это несколько периодов сетевого напряжения, то есть, за это время симистор успеет включиться гарантированно. Далее открывается Q1 - и включается реле K1 (а также светодиод D2, светящий приятным изумрудным светом). Контакты реле шунтируют симистор, поэтому далее - до самого выключения - он в работе участия не принимает. И не греется.

Выключение - в обратном порядке. Как только на входе появляется «0», C1 быстро разряжается через верхнее плечо D1 и R1, реле выключается. А вот симистор остаётся включённым примерно 100 мс, так как C2 разряжается через 100-килоомный R3. Более того, так как симистор удерживается в открытом состоянии током, то даже после отключения VO1 он останется открытым, пока ток нагрузки не упадёт в очередном полупериоде ниже тока удержания симистора.

Включение:

Выключение:

Красиво, не правда ли? Причём при использовании современных симисторов, устойчивых к быстрым изменениям тока и напряжения (такие модели есть у всех основных производителей - NXP, ST, Onsemi, etc., наименования начинаются с «BTA»), снаббер не нужен вообще, ни в каком виде.

Более того, если вспомнить умных людей из Agilent и посмотреть, как меняется потребляемый мотором ток, получится вот такая картинка:

Стартовый ток превышает рабочий более чем в четыре раза. За первые пять периодов - то время, на которое симистор опережает реле в нашей схеме - ток падает примерно вдвое, что также существенно смягчает требования к реле и продлевает его жизнь.

Да, схема сложнее и дороже, чем обычное реле или обычный симистор. Но часто она того стоит.

Предыдущая статья: Mitsubishi Lancer Evolution, обзор всех поколений Стоимость и комплектации Следующая статья: Ford Crown Victoria − презентабельный американский автомобиль Полицейская машина форд краун виктория