Про яке навантаження йдеться? Та про будь-яку — релюшки, лампочки, соленоїди, двигуни, відразу кілька світлодіодів або надпотужний силовий світлодіод-прожектор. Коротше, все що споживає більше 15мА та/або вимагає напруги живлення більше 5 вольт.

Ото взяти, наприклад, реле. Нехай це буде BS-115C. Струм обмотки близько 80мА, напруга обмотки 12 вольт. Максимальна напруга контактів 250В та 10А.

Підключення реле до мікроконтролера це завдання, яке виникало практично у кожного. Одна проблема - мікроконтролер не може забезпечити потужність, необхідну для нормальної роботи котушки. Максимальний струм, який може пропустити через себе, вихід контролера рідко перевищує 20мА і це ще вважається круто - потужний вихід. Зазвичай трохи більше 10мА. Так напруга у нас тут не вище 5 вольт, а релінці потрібно цілих 12. Бувають, звичайно, реле і на п'ять вольт, але струму жеруть більше разу на два. Загалом, куди реле не цілуй – скрізь дупа. Що робити?

Перше що спадає на думку — поставити транзистор. Вірне рішення - транзистор можна підібрати на сотні міліампер, а то й на ампери. Якщо не вистачає одного транзистора, їх можна включати каскадами, коли слабкий відкриває сильніший.

Оскільки в нас прийнято, що 1 це включено, а 0 вимкнено (це логічно, хоч і суперечить моїй давній звичці, що прийшла ще з архітектури AT89C51), то 1 у нас подаватиме харчування, а 0 зніматиме навантаження. Візьмемо біполярний транзистор. Реле потрібно 80мА, тому шукаємо транзистор із колекторним струмом понад 80мА. В імпортних даташитах цей параметр називається I c , в наших I к. Перше що спало на думку - КТ315 - шедевральний совковий транзистор який застосовувався практично скрізь:) Помаранчевий такий. Коштує трохи більше одного рубля. Також прокотить КТ3107 з будь-яким літерним індексом або імпортним BC546 (а також BC547, BC548, BC549). У транзистора насамперед треба визначити призначення висновків. Де в нього колектор, де база, а де емітер. Зробити це найкраще за датаситом або довідником. Ось, наприклад, шматок з даташиту:

Якщо дивитися на його лицьову сторону, що з написами, і тримати ніжками вниз, то висновки, зліва направо: Емітер, Колектор, База.

Беремо транзистор і підключаємо його за такою схемою:

Колектор до навантаження, емітер, який зі стрілочкою, на землю. А основу на вихід контролера.

Транзистор це підсилювач струму, тобто якщо ми пропустимо через ланцюг База-Емітер струм, то через ланцюг Колектор-Емітер зможе пройти струм, що дорівнює вхідному, помноженому на коефіцієнт посилення h fe .
h fe цього транзистора становить кілька сотень. Щось близько 300, точно не пам'ятаю.

Максимальна напруга виведення мікроконтролера при подачі в порт одиниці = 5 вольт (падінням напруги в 0.7 вольт на База-Емітерному переході тут можна знехтувати). Опір у базовому ланцюзі дорівнює 10000 Ом. Значить струм, за законом Ома, дорівнюватиме 5/10000 = 0.0005А або 0.5мА - зовсім незначний струм від якого контролер навіть не спітніє. На виході в цей час буде I c =I be *h fe =0.0005*300 = 0.150А. 150мА більше ніж 100мА, але це всього лише означає, що транзистор відкриється навстіж і видасть максимум що може. А значить наша релюха отримає харчування сповна.

Усі щасливі, всі задоволені? А ось ні, є тут захід. У реле ж як виконавчий елемент використовується котушка. А котушка має неслабку індуктивність, тому різко обірвати струм у ній неможливо. Якщо це зробити, то потенційна енергія, накопичена в електромагнітному полі, вилізе в іншому місці. При нульовому струмі обриву цим місцем буде напруга - при різкому перериванні струму, на котушці буде потужний сплеск напруги, в сотні вольт. Якщо струм обривається механічним контактом, то повітряний пробій — іскра. А якщо обривати транзистором, то його просто просто вгробить.

Треба щось робити, кудись подіти енергію котушки. Не проблема, замкнемо її на себе ж, поставивши діод. При нормальній роботі діод включений зустрічно напрузі і струм через нього не йде. А при вимкненні напруга на індуктивності буде вже в інший бік і пройде через діод.

Правда ці ігри з кидками напруги погано позначаються на стабільності мережі живлення пристрою, тому має сенс біля котушок між плюсом і мінусом живлення вкрутити електролітичний конденсатор на сотню іншу мікрофарад. Він прийме він більшу частину пульсації.

Краса! Але можна зробити ще краще – знизити споживання. У реле досить великий струм зривання з місця, а ось струм утримання якоря менше ніж раз на три. Кому як, а мене тисне жаба годувати котушку більше ніж вона того заслуговує. Адже це і нагрівання і енерговитрати і багато чого. Беремо і вставляємо в ланцюг ще й полярний конденсатор на десяток інший мікрофарад із резистором. Що тепер виходить:

При відкритті транзистора конденсатор С2 ще не заряджений, а значить в момент його заряду він є майже коротким замиканням і струм через котушку йде без обмежень. Недовго, але цього вистачає для зриву якоря реле з місця. Потім конденсатор зарядиться і перетвориться на урвище. А реле живиться через резистор струм, що обмежує. Резистор і конденсатор слід підбирати так, щоб реле чітко спрацьовувало.
Після закриття транзистора розряджається конденсатор через резистор. З цього випливає зустрічне западло - якщо відразу спробувати реле включити, коли конденсатор ще не розрядився, то струму на ривок може і не вистачити. Так що тут треба думати з якою швидкістю у нас клацатиме реле. Кондер, звичайно, розрядиться за частки секунди, але іноді цього багато.

Додамо ще один апгрейд.
При розмиканні реле енергія магнітного полястравлюється через діод, тільки при цьому в котушці продовжує текти струм, а значить вона продовжує тримати якір. Збільшується час між зняттям сигналу керування та відпаданням контактної групи. Західно. Потрібно зробити перешкоду протіканню струму, але таке, щоб не вбило транзистор. Встромимо стабілітрон з напругою відкривання нижче граничної напруги пробою транзистора.
З шматка даташита видно, що граничне напруження Колектор-База (Collector-Base voltage) для BC549 становить 30 вольт. Вкручуємо стабілітрон на 27 вольт - Profit!

У результаті, ми забезпечуємо кидок напруги на котушці, але він контрольований і нижчий від критичної точки пробою. Тим самим ми значно (в рази!) знижуємо затримку вимкнення.

Ось тепер можна досить потягнутися і почати болісно чухати ріпу на предмет того як весь цей мотлох розмістити на друкованій платі ... Доводиться шукати компроміси і залишати тільки те, що потрібно в цій схемі. Але це вже інженерне чуття і приходить із досвідом.

Звичайно замість реле можна встромити і лампочку і соленоїд і навіть моторчик, якщо по струму проходить. Реле взято як приклад. Ну і, природно, для лампочки не буде потрібно все діодно-конденсаторне обважування.

Поки досить. Наступного разу розповім про Дарлінгтонівські збірки та MOSFET ключі.

Нові статті

● Проект 12: Керуємо реле через транзистор

У цьому експерименті ми познайомимося з реле, за допомогою якого Arduino можна керувати потужним навантаженням не тільки постійного, але і змінного струму.

Необхідні компоненти:

Реле - це електрично керований, механічний перемикач, має два роздільні ланцюги: ланцюг управління, представлений контактами (А1, А2), і керований ланцюг, контакти 1, 2, 3 (див. рис. 12.1).

Ланцюги ніяк не пов'язані між собою. Між контактами А1 і А2 встановлений металевий сердечник, при протіканні струму якого до нього притягується рухомий якір (2). Контакти ж 1 та 3 нерухомі. Якір підпружинний, і поки ми не пропустимо струм через сердечник, якір буде притиснутим до контакту 3. При подачі струму, як уже говорилося, сердечник перетворюється на електромагніт і притягається до контакту 1. При знеструмленні пружина знову повертає якір до контакту 3 .

При підключенні реле Arduino контакт мікроконтролера не може забезпечити потужність, необхідну для нормальної роботи котушки. Тому слід посилити струм – поставити транзистор. Для посилення зручніше застосовувати n-p-n-транзистор, що включений за схемою ОЕ (див. рис. 12.2). При такому способі можна підключати навантаження з більшою напругою живлення, ніж живлення мікроконтролера.
Резистор з урахуванням - обмежувальний. Може змінюватись в широких межах (1-10 кОм), у будь-якому випадку, транзистор буде працювати в режимі насичення. Як транзистор може бути будь-який n-p-n-Транзистор. Коефіцієнт посилення мало значення. Вибирається транзистор струмом колектора (потрібний нам струм) і напругою колектор-емітер (напруга, яким запитується навантаження).

Для включення реле, підключеного за схемою з ОЕ, на виведення Arduino необхідно подати 1, для вимкнення - 0. Підключимо реле до плати Arduino за схемою на рис. 12.3 та напишемо скетч управління реле. Кожні 5 секунд реле буде перемикатися (вмикатися/вимикатися). При перемиканні реле лунає характерне клацання.
Вміст скетчу показаний у лістингу 12.1.

int relayPin = 10; // підключення до висновку D10 Arduino void setup ()(pinMode (relayPin, OUTPUT); // Налаштувати висновок як вихід (OUTPUT) } // функція виконується циклічно нескінченне число разів void loop ()(digitalWrite(relayPin, HIGH); // включити реле delay(5000); digitalWrite(relayPin, LOW); // Вимкнути реле delay(5000); )

Порядок підключення:

1. Підключаємо елементи до плати Arduino за схемою на рис. 12.3.
2. Завантажуємо до плати Arduino скетч з лістингу 12.1.
3. Кожні 5 секунд відбувається клацання перемикання реле якщо підключити контакти реле, наприклад, у розрив підключеної до мережі 220 В патрона з лампою розжарювання, то побачимо процес увімкнення/вимкнення лампи розжарювання раз на 5 секунд (рис. 12.3).

Для підключення навантаження до мікроконтролеразнадобляться такі речі:

• сам мікроконтролер
• біполярний транзистор NPN типу
• два резистори R1(500Ом) та R2(5кОм)

Складання схеми підключення навантаження

Отже. Максимальний струм на виведення мікроконтролерастановить 20мА, напруга на виході становить 5В. Наприклад, ми хочемо підключити до мікроконтролеракроковий двигун постійного струму з напругою 12В, що управляє, струмом 200мА. Схема підключення:

Підключення навантаження до мікроконтролера

Розрахунок керуючого транзистора

Раз струм виводу мікроконтролераможе становити максимум 20мА, а отримати на потрібно 200мА, то необхідно підібрати NPN транзистор з мінімальним коефіцієнтом посилення

hFE = 200мА/20мА = 10

Взагалі кажучи, поганим тоном вважається видавати з мікрику максимальні 20мА, тому розраховувати на вихід 10мА. Отже, налаштувалися на зниження навантаженняна наш мікроконтролерудвічі, тепер підбиратимемо транзистор з мінімальним коефіцієнтом

hFE = 200мА/10мА = 20

У такому разі максимальний струм колектора, а відповідно і струм навантаження складе

Ic=Ib*hFE=0,01А*20=0,2А=200мА

Отже, виберемо будь-який транзистор, що підходить нам, наприклад буржуйський BC337.

Характеристики біполярного NPN транзистора BC337:

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

О Боже! hFE=100! Це означає, що струм на навантаженні буде дорівнює Ic = 0,01 * 100 = 1А?

Ні! У цьому випадку транзистор відкриється навстіж, буде готовийвидавати максимально допустимий для нього струм 0,8А (див. характеристики вище), але фактично струм в ланцюзі колектор-емітер складе струм споживання двигуна (у нашому випадку двигун «їсть» 200мА).

Розрахунок обмежувального резистора

Насамперед нам необхідно підібрати резистор R1 для того, щоб він обмежував струм, що виходить з мікроконтролера. Розрахунок простий: необхідно напругу живлення 5В поділити на максимальний струм бази 10мА

R1 = 5В/0.01А = 500Ом

Резистор R2 не є навантаженням, він потрібен для того, щоб після зняття напруги з бази, залишки струму між мікроконтролеромі основою транзистора стравлювалися на землю. Інакше можливий випадок, коли транзистор залишиться у відкритому стані після зняття імпульсу, що управляє. Рекомендований номінал резистора R2 — у 10 разів більший за R1

Багато радіоаматорів, які займаються конструюванням схем на мікроконтролерах, стикаються з проблемою нестачі висновків у них. Тому доводиться шукати шляхи вирішення цього питання шляхом покладання однією висновок контролера кількох функцій.

Ця тема вже зачіпалася у статті. Схема нового варіанту управління навантаженням двома реле і використанням одного виведення мікроконтролера показана на малюнку нижче.

Робота схеми

Почнемо із програми ініціалізації контролера. Висновок GP0 має бути налаштований на вхід. При цьому він матиме високоімпедансний стан. Ще такий стан виведення називають третім станом. Можна припустити, що висновок 7 DD1 висить у повітрі і стан оптронів не впливає. По послідовному ланцюгу управління, що складається зі стабілітрона VD1, резистора R1, світлодіодів оптронів U1 і U2, резистора R2 і ще одного стабілітрона VD2, в такому стані струм не протікатиме. Тому що сумарна пробивна напруга стабілітронів (3В+3В=6В), що мають напругу стабілізації 3 вольта, більша, ніж напруга, прикладена до цього ланцюга 5 вольт.

Для включення реле Р1 необхідно в програмі мікроконтролера виведення GP0 налаштувати на вихід і залишити його в нульовому стані. Таким чином, напруга живлення 5 вольт буде прикладено до верхньої половини вищезгаданого ланцюга. У даній ситуації п'яти вольт вже вистачає, щоб відкрився стабілітрон VD1 і через світлодіод оптрона U1 став протікати струм, що відкриває його транзистор. При величині резистора, зазначеної на схемі 130 Ом, через світлодіод оптрона протікав струм приблизно 5 мА. Для більшості оптронів цього цілком достатньо для повного відкриття його транзистора. Через відкритий транзистор оптрона і резистор R3 почне подаватися напруга на базу транзистора VT1, це призведе до його відкривання і спрацьовування реле Р1. Що комутуватимуть реле, думати вам. Для вимикання реле слід перевести виведення контролера знову на третій стан. Для включення реле Р2 необхідно також перевести виведення мікроконтролера GP0 в стан виведення інформації і сформувати на ньому логічну «1». Тепер транзистор вихідного буфера контролера закоротить верхню половину ланцюга управління, і напруга живлення +5 вольт буде подано на нижню половину ланцюга управління. Далі спрацює оптрон U2, а за ним транзистор VT2 із реле Р2. Для вимикання реле знову слід перевести виведення контролера знову на третій стан.

Тип транзисторів застосованих у схемі залежить від видертий вами реле. Принаймні, струм колектора повинен бути вдвічі... три більше робочого струму реле. Мікросхема DA1 може бути будь-яким відповідним стабілізатором напруги на п'ять вольт.

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 найбільш поширені способи підключення навантаження (якщо Ви щось захочете додати – буду тільки радий).
Відразу домовимося, що йдеться про цифровий сигнал (мікроконтролер-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 в 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 по струму колектора (потрібний нам струм) і напрузі колектор-емітер (напруга яких вимагається навантаження). Ще має значення розсіювана потужність - щоб не перегрітися.

З поширених і легко доступних можна заюзати BC546, BC547, BC548, BC549 з будь-якими літерами (100мА), та й той же КТ315 зійде (це у кого 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 бути або складовий транзистор (читати нижче) або польовий транзистор (він же МОП, він же MOSFET). Польовий транзистор просто чудова штука, тому що він управляється 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 моменти перемикання транзистора через нього течуть великі струми (короткочасно). Для того щоб обмежити ці струми в затворі ставиться обмежуючий резистор.
- 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 Дарлінгтон.
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 не таке 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. Внаслідок такої вдалої конструкції ULN2003 широко використовується в радіоаматорській практиці. Відповідно дістати її не важко.
- Даташит на складання Дарлінгтонів ULN2003

Якщо Вам потрібно керувати пристроями змінного струму (найчастіше 220v), то тут все складніше, але не 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 – реле багато, вибирайте за потрібними параметрами та 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 керуючий електрод (причому як негативної, так 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 симистора - це постійна зайнятість контролера. Ще одна складність - це відсутність гальванічної розв'язки у симистора. 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. І це стосується як ланцюгів управління симистором, 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 деяких областях просто незамінні, тому дістати їх становить якихось проблем. Дуже часто в радіоаматорстві застосовують симістори типу BT138.