062-Как подключить к микроконтроллеру нагрузку?

Автор: | 11.12.2010

титлВ следующих статьях будут устройства, которые должны управлять внешней нагрузкой. Под внешней нагрузкой я понимаю все, что прицеплено к ножкам микроконтроллера – светодиоды, лампочки, реле, двигатели, исполнительные устройства … ну Вы поняли. И как бы не была заезжена данная тема, но, чтобы избежать повторений в следующих статьях, я все-же рискну быть не оригинальным — Вы уж меня простите :). Я кратенько, в рекомендательной форме, покажу наиболее распространенные способы подключения нагрузки (если Вы  что-то захотите добавить – буду только рад).
Сразу договоримся, что речь идет о цифровом сигнале (микроконтроллер все-таки цифровое устройство) и не будем отходить от общей логики: 1-включено, 0-выключено. Начнем.


1 НАГРУЗКА ПОСТОЯННОГО ТОКА.
Нагрузкой постоянного тока являются: светодиоды, лампы, реле, двигатели постоянного тока, сервоприводы, различные исполнительные устройства и т.д. Такая нагрузка наиболее просто (и наиболее часто) подключается к микроконтроллеру.

1.1 Подключение нагрузки через резистор.
Самый простой и, наверно, чаще всего используемый способ, если речь идет о светодиодах.

Подключение через резистор

Резистор нужен для того, чтобы ограничить ток протекающий, через ножку микроконтроллера до допустимых 20мА. Его называют балластным или гасящим. Примерно рассчитать величину резистора можно зная сопротивление нагрузки Rн.

Rгасящий = (5v / 0.02A) – Rн = 250 – Rн [Om]

Как видно, даже в самом худшем случае, когда сопротивление нагрузки равно нулю достаточно 250 Ом для того, что бы ток не превысил 20мА. А значит, если неохота чего-то там считать — ставьте 300 Ом и Вы защитите порт от перегрузки. Достоинство способа очевидно – простота.

1.2 Подключение нагрузки при помощи биполярного транзистора.
Если так случилась, что Ваша нагрузка потребляет более 20мА, то, ясное дело, резистор тут не поможет. Нужно как-то увеличить (читай усилить) ток. Что применяют для усиления сигнала? Правильно. Транзистор!

Подключение при помощи транзистора

Для усиления удобней применять n-p-n транзистор, включенный по схеме ОЭ. При таком способе можно подключать нагрузку с большим напряжением питания, чем питание микроконтроллера. Резистор на базе – ограничительный. Может варьироваться в широких пределах (1-10 кОм), в любом случае транзистор будет работать в режиме насыщения. Транзистор может быть любой n-p-n транзистор. Коэффициент усиления, практически не имеет значения. Выбирается транзистор по току коллектора (нужный нам ток) и напряжению коллектор-эмиттер (напряжение которым запитывается нагрузка). Еще имеет значение рассеиваемая мощность — чтоб не перегрелся.

Из распространенных и легко доступных можно заюзать BC546, BC547, BC548, BC549 с любыми буквами (100мА), да и тот-же КТ315 сойдет (это у кого со старых запасов остались).
BC547.pdf - Даташит на биполярный транзистор BC547

1.3 Подключение нагрузки при помощи полевого транзистора.
Ну а если ток нашей нагрузки лежит в пределах десятка ампер? Биполярный транзистор применить не получиться, так как токи управления таким транзистором велики и скорей всего превысят 20мА. Выходом может служить или составной транзистор (читать ниже) или полевой транзистор (он же МОП, он же MOSFET). Полевой транзистор просто замечательная штука, так как он управляется не током, а потенциалом на затворе. Это делает возможным микроскопическим током на затворе управлять большими токами нагрузки.

Для нас подойдет любой n-канальный полевой транзистор. Выбираем, как и биполярный, по току, напряжению и рассеиваемой мощности.

Подлючение при помощи полевого транзистора

При включении полевого транзистора нужно учесть ряд моментов:
— так как затвор, фактически, является конденсатором, то в моменты переключения транзистора через него текут большие токи (кратковременно). Для того чтобы ограничить эти токи в затвор ставиться ограничивающий резистор.
— транзистор управляется малыми токами и если выход микроконтроллера, к которому подключен затвор, окажется в высокоимпедансном Z-состоянии полевик начнет открываться-закрываться непредсказуемо, вылавливая помехи. Для устранения такого поведения ножку микроконтроллера нужно «прижать» к земле резистором порядка 10кОм.
У полевого транзистора на фоне всех его положительных качеств есть недостаток. Платой за управление малым током является медлительность транзистора. ШИМ, конечно, он потянет, но на превышение допустимой частоты он Вам ответит перегревом.

Для применения можно порекомендовать мощные транзисторы IRF630, IRF640. Их часто используют и поэтому их легко достать.
IRF640.pdf - Даташит на полевой транзистор IRF640

1.4 Подключение нагрузки при помощи составного транзистора Дарлингтона.
Альтернативой применения полевого транзистора при сильноточной нагрузке является применение составного транзистора Дарлингтона. Внешне это такой-же транзистор, как скажем, биполярный, но внутри для управления мощным выходным транзистором используется предварительная усилительная схема. Это позволяет малыми токами управлять мощной нагрузкой. Применение транзистора Дарлингтона не так интересно, как применение сборки таких транзисторов. Есть такая замечательная микросхема как ULN2003. В ее составе аж 7 транзисторов Дарлингтона, причем каждый можно нагрузить током до 500мА, причем их можно включать параллельно для увеличения тока.

Подключение при помощи ULN2003

Микросхема очень легко подключается к микроконтроллеру (просто ножка к ножке) имеет удобную разводку (вход напротив выхода) и не требует дополнительной обвязки. В результате такой удачной конструкции ULN2003 широко используется в радиолюбительской практике. Соответственно достать ее не составит труда.
ULN2003.pdf - Даташит на сборку Дарлингтонов ULN2003


2 НАГРУЗКА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
Если Вам нужно управлять устройствами переменного тока (чаще всего 220v), то тут все сложней, но не на много.

2.1 Подключение нагрузки при помощи реле.
Самым простым и, наверное, самым надежным есть подключение при помощи реле. Катушка реле, сама собой, является сильноточной нагрузкой, поэтому напрямую к микроконтроллеру ее не включишь. Реле можно подключить через транзистор полевой или биполярный или через туже ULN2003, если нужно несколько каналов.

Подключение при помощи реле

Достоинства такого способа большой коммутируемый ток (зависит от выбранного реле), гальваническая развязка. Недостатки: ограниченная скорость/частота включения и механический износ деталей.
Что-то рекомендовать для применения не имеет смысла — реле много, выбирайте по нужным параметрам и цене.

2.2 Подключение нагрузки при помощи симистора (триака).
Если нужно управлять мощной нагрузкой переменного тока а особенно если нужно управлять мощностью выдаваемой на нагрузку (димеры), то Вам просто не обойтись без применения симистора (или триака). Симистор открывается коротким импульсом тока через управляющий электрод (причем как для отрицательной, так и для положительной полуволны  напряжения). Закрывается симистор сам, в момент отсутствия напряжения на нем (при переходе напряжения через ноль). Вот тут начинаются сложности. Микроконтроллер должен контролировать момент перехода через ноль напряжения и в точно определенный момент подавать импульс для открытия симистора — это постоянная занятость контроллера. Еще одна сложность это отсутствие гальванической развязки у симистора. Приходится ее делать на отдельных элементах усложняя схему.

Распиновка триака
Хотя современные симисторы управляются довольно малым током и их можно подключить напрямую (через ограничительный резистор) к микроконтроллеру, из соображений безопасности приходится их включать через оптические развязывающие приборы. Причем это касается не только цепей управления симистором, но и цепей контроля нуля.Схема включения триака

Довольно неоднозначный способ подключения нагрузки. Так как с одной стороны требует активного участия микроконтроллера и относительно сложного схемотехнического решения. С другой стороны позволяет очень гибко манипулировать нагрузкой. Еще один недостаток применения симисторов — большое количество цифрового шума, создаваемого при их работе — нужны цепи подавления.

Симисторы довольно широко используются, а в некоторых областях просто незаменимы, поэтому достать их не составляет каких либо проблем. Очень часто в радиолюбительстве применяют симисторы  типа BT138. 
BT138.pdf - Даташит на симистор (триак) BT138

2.3 Подключение нагрузки при помощи твердотельного реле.
С недавних пор у радиолюбителей появилась очень замечательная штука — твердотельные реле. Представляют они из себя оптические приборы (еще их называют оптореле), с одной стороны, в общем случае, стоит светодиод, а с другой полевой транзистор со светочувствительным затвором. Управляется эта штука малым током, а манипулировать может значительной нагрузкой.

Твердотельное реле

Подключать твердотельное реле к микроконтроллеру очень просто — как светодиод — через резистор.
Достоинства налицо: малые размеры, отсутствие механического износа, возможность манипулировать большим током и напряжением и самое главное оптическая развязка от опасного напряжения. Нагрузка может быть как постоянного, так и переменного тока в зависимости от конструкции реле. Из недостатков следует отметить относительную медлительность (чаще всего для коммутации используется полевик) и довольно значительную стоимость реле.

Если не гнаться за завышенными характеристиками можно подобрать себе прибор по приемлемой цене. Например, реле CPC1030N управляется током от 2мА, при этом способно коммутировать нагрузку переменного и постоянного тока 120мА и 350v (очень полезная для радиолюбителей вещь!)
CPC1030N.pdf - Даташит на твердотельное реле CPC1030N


Файлы к статье:
BC547.pdf - Даташит на биполярный транзистор BC547
IRF640.pdf - Даташит на полевой транзистор IRF640
ULN2003.pdf - Даташит на сборку Дарлингтонов ULN2003
BT138.pdf - Даташит на симистор (триак) BT138
CPC1030N.pdf - Даташит на твердотельное реле CPC1030N


(Visited 82 215 times, 5 visits today)

062-Как подключить к микроконтроллеру нагрузку?: 224 комментария

  1. kamaz6141

    Да, он. Спасибо за разъяснение, я просто думал что он рассчитывается как-то по другому из за ёмкости) а не как токоограничивающий. В основном везде пишут якобы 50-150 Ом ставить)

  2. siema

    Вопросы в тему))
    1. К МК через резистор 3к и тр-р КТ917 (ОЭ) была подключена нагрузка (обмотка) в коллектор. Нагрузка на 12В. Управление по импульсу на выходе МК. Схема не заработала, сгорел порт МК и пришлось поставить вместо обмотки реле на 5В по управлению, а на контакты — нагрузку коммутировал на 12В. Почему не заработала первая схема и почему сгорел порт?
    2. В литературе показано, что нагрузки подключают в сток транзисторов MOSFET независимо от типа канала. В модификации http://www.forum.getchip.net/viewtopic.php?f=24&t=495&sid=d75b21e0a6fe8fecd31e2e764d51beac нагрузка включена в исток. Хотя считаю, что такие активные нагрузки как усилитель, лучше коммутировать по +, как сделал автор, а не по земле.
    2.1. Я пробовал включить усилитель TDA в исток по схеме на одном IRF630, но усилитель не заработал, т.к. с потенциалом на ноге Vcc творилось непонятное, значение было ни как не Vcc.
    2.2. Почему автор включил усилитель в исток, а не использовал p-канальный транзистор с включением нагрузки в сток?

  3. GetChiper Автор записи

    1 через резистор 3кОм 12 вольт можно подключать смело к ножке МК и порту ничего не станется (12/3000=0.004А при допустимых 0.02А). Причина перегорания порта, скорей всего, в индуктивной нагрузке, на которой создалось значительное ЭДС самоиндукции, ток от которого сжег и транзистор и порт МК. В случае подключения индуктивных нагрузок обязательно применение защитного диода (например, как в п.2.1).

    2 по модификации не могу ничего сказать, так как она не моя.

  4. siema

    @GetChiper
    Евгений,
    1. в том то и дело, что транзистор выжил, а сгорел только порт. Нужен ли теперь шунтирующий (защитный) диод на индуктивную нагрузку, которая подключается к +12В и GND с помощью реле для стабилизации (защиты) этого самого источника +12В?
    2. Можно ли подключать нагрузку в исток полевых транзисторов?

  5. GetChiper Автор записи

    1 в таком случае я не знаю причину перегорания порта. Защитный диод нужен в любом случае на индуктивной нагрузке (желательно еще и шотки).
    2 можно нагрузку включать куда угодно. есть разные способы включения (как и в биполярном транзисторе) https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B2%D0%BE%D0%B9_%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B7%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80

  6. serega23

    А не задействованые входа ULN2003 нужно соединить с землёй? (например у меня остались 1-2 лишних)

  7. GetChiper Автор записи

    Можно и на землю.

  8. GetChiper Автор записи

    можно на землю, а можно запараллелить с рабочим каналом.

  9. serega23

    Ок. Всё понял. Спасибо.

  10. kirillklimovich1994

    Здравствуйте, moc3023 можно использовать для развязки мк и транзисторов?

  11. GetChiper Автор записи

    moc3023 — это оптоуправляемый симистор. Это, в принципе, не из этой темы.
    При помощи moc3023 можно, например, управлять нагрузкой переменного тока 220 вольт

  12. Lma

    Извиняюсь, если чего-то не понял. Управление постоянным током от контроллера совершенно легко реализуется с помощью тиристора. Я использовал MCR100-8, через него пропустил 12V, на управляющий электрод подал сигнал от вывода Ардуино. Соединил минусы источника питания и Ардуино. Всё волшебно работает. Что я делаю не так?

  13. GetChiper Автор записи

    И при снятии управляющего сигнала тиристор закрывался?
    Ну в таком случае через него протекал ток ниже тока удержания.
    В нормальном режиме работы Вы бы открыли тиристор только один раз.Дальше он бы не реагировал ни на какие сигналы на управляющем электроде.

  14. Lma

    @GetChiper
    Спасибо!
    Использовал такую схему по незнанию. Немного почитал — сам удивился. Значит, открытия не получилось.Расчётный ток был больше паспортного тока удержания, но не на большую величину. Как Вы думаете, могло повлиять то, что управлял импульсами 100мс? Вероятно, импульсное управление может увеличить ток удержания на 1-2мА, но я нигде не нашёл про это. Или всё же забыть про этот факт, и не пытаться его использовать для получения импульсов более высокого напражения?

  15. GetChiper Автор записи

    Даже если это получилось в данной конкретной схеме, то так в последующем делать не стоит — это не целевое применение тиристора и люди, которые будут заглядывать в Вашу схему, будут сбыты с толку.

  16. Lma

    @GetChiper
    Спасибо! Накопал мосфет, правда другой IRF530. На сайте Ардуино их рекомендуют подключать к выходам процессора вообще без резисторов. Как Вы считаете, это всё же ошибка? Или это особенности подключения именно этого полевого транзистора? Цитата с сайта: «Если вместо биполярного транзистора использовать полевой, можно обойтись без резистора (картинка): это связано с тем, что затвор в таких транзисторах управляется исключительно напряжением: ток на участке микроконтроллер — затвор — исток отсутствует. А благодаря своим высоким характеристикам схема с использованием MOSFET, позволяет управлять очень мощными компонентами»…

  17. GetChiper Автор записи

    Ну на сайте Ардуино немного не договаривают. Полевик и правда управляется потенциалом, но в момент когда подается высокий уровень на затвор кратковременно возникает значительный скачек тока, так как заряжается емкость затвора. Этот ток может повредить порт МК. Так что лучше резистор ставить.

  18. Diman

    Да, резистор должен быть в цепи затвора. Я думаю значение на картинке (3кОм) немного
    завышено. Лучше использовать 1 — 2кОм. Так сократится время переходных процессов и выделяемого тепла при больших токах нагрузки.

  19. xorkrus

    Здравствуйте,
    по пункту 2.2, рис. 1. Вот у меня как раз таки такой вариант (безопасность в данном контексте не имеет значения), но однако не работает. В чем проблема может быть?
    http://savepic.net/9310131.htm (схема)

  20. GetChiper Автор записи

    Для того чтобы открыть симистор необходимо чтобы управляющий импульс обеспечивал не менее заданного по даташиту тока отпирания. Если не ошибаюсь для Вашего случая это 10мА. Резистор в 1кОм явно не даст этому току быть в нужных пределах.

  21. xorkrus

    А резистор на 310 ом сделал ПЫЩЬ… хотя симистор не накрылся.

  22. GetChiper Автор записи

    Не должен он был так сделать… Если сделал — боюсь МК сгорел.
    Схему где то взяли готовую или сами ее делали?
    Возьмите за основу что-то рабочее и примените для своих нужд. Например, моя гирлянда с подобным управлением уже несколько лет горит неделями на Новый Год — все нормально.
    http://www.getchip.net/posts/093-12-ti-kanalnaya-super-girlyanda-na-attiny2313/

Добавить комментарий