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 120 964 times, 1 visits today)

062-Как подключить к микроконтроллеру нагрузку?: 224 комментария

  1. GetChiper Автор записи

    Оптрон + полевик и можно рулить любым током.
    Или твердотельное реле — просто, но для такого тока будет дороговато.

  2. maior7

    ОК! Я использую МК и развязку оптронами для управления биполярным ШД. Полевик прокатит? А что если что то типа микросхемы типа каскадов в сборке? Сложна ли будет схема в плане доп резюков, конденсаторов и прочего? Просто не совсем я силен в этом, а времени изучать литературу совсем нет. Заранее спасибо.

  3. GetChiper Автор записи

    Ну тогда твердотельное реле — обвески вообще никакой!

  4. Blad

    Подскажите пожалуйста новичку, который недавно начал, как прочитать и прошить Atmega32L и Atmega329

  5. maior7

    Спасибо за подсказки — все решил IGBT. Проблема была в в скорости передачи импульсов на выходы биполярника. Высокоскоростные оптореле не предназначены для больших нагрузок, а твердотельные слишком медленные, а мне нужны мозги для ЧПУ своими руками для своего интерфейса.
    Blad — google тебе в помощь, он все знает)

  6. ripys

    Пытаюсь собрать включатель электроприборов на ATMEGA8.
    Воде задача из простых но чтото невыходит… От микроконтроллера подается сигнал на транзистор который должен влючать релюху..
    эмиттер-на общий минус.
    база к ножке микросхемы.
    коллектор идет дальше и должен включать реле (от 5в сигнала)..
    http://www.fotolink….93ed5193990.jpg

    но при посылке сигнала в реле происходит очень слабый щелчек..Когда кидаю контакт напрямую не через транзистор к коллектору все щелкается доконца и работает

    Незнаю что делать.. В инете читаю что между базой и микроконтроллером нада ставить сопротивление, но доконца так и не разобрался помогите плиз!!

    1) http://www.chipdip.r…2a-c-05vdc.aspx
    2) http://www.chipdip.r…uct/kt817v.aspx

    Вся работа делается для диплома.. За ответы спасибо!

  7. ripys

    Как понимаю ток включения не совпадает с тем что мне выдет транзистор да?

  8. Blad

    maior7 не умничай, сам-то не в гостях,а за советом.

  9. Cannibal Corpse

    GetChiper, подойдет ли для управления нагрузками совковый оптотиристор ТО125-12.5?

  10. GetChiper Автор записи

    Включайте по типовой схеме и все заработает.

  11. Cannibal Corpse

    Оно является названным Вами «твердотельным реле»? Или я что то путаю? И можно ли подключать переменку?

  12. GetChiper Автор записи

    Походу только постоянка. Если нужна переменка включайте в плече моста.

  13. nikolyan

    Думаю нелишне напомнить в статье что UlN2003 будут работать с инверсией.Умеющий конечно поменяет прошивку.Я вот подумываю собрать эффектор-и если поставлю uln-будет проблема.

  14. GetChiper Автор записи

    За счет того, что нагрузка подключается к +питания получается прямое не инверсное управление.

  15. nikolyan

    оК! Это все по не знанию.Подключил сенсор к uln и реле,все отлично.Очень приятно быстро получать знания с вашего сайта.

  16. Mihail 2

    есть небольшой вопрос по теме. хочу собрать реобас. но назначение его будет немного другое. не могу выставить фьюзы на микроконтроллере. прилагаю ссылку этого устройства http://arv.radioliga.com/content/view/163/44/. там есть и программа. если можно пришлите на почтовый ящик как правильно должны стоять фьюзы. мой маил mihail-27.87@mail.ru

  17. GetChiper Автор записи

    Более правильней будет спросить у автора конструкции — он знает все нюансы.

  18. dIrrat

    Добрый день, возник вопрос: при использовании микросхемы ULN2003 или ULN2803A во сколько раз получаем усиленный сигнал на выходе?

  19. GetChiper Автор записи

    Это просто ключи. Выход цифровой. Ток канала до 500 мА.

  20. nightlywind

    Здравствуйте, Уважаемый GetChiper. У меня к Вам огромнейшая просьба. Могли бы Вы мне помочь в написании программы для тини2313 (а именно написать её). Я в программировании НОЛЬ, но очень бы хотелось собрать некое устройство по такой (условной) схеме: http://img-fotki.yandex.ru/get/4125/39567449.0/0_8fc95_8cd17997_orig
    Принцип примерно таков: при первом нажатии на кнопку К1.1 включается реле 1, при втором нажатии реле отключалось бы. На кнопку 2, реле 2 и т.д. и что бы можно было независимо включать релюшки, например 1-е, 4-е и 6-е одновременно. Помогите мне пожалуйста, если Вас не затруднит, я очень прошу.
    Мой e-mail: nightlywind@bk.ru

  21. GetChiper Автор записи

    Тут ничего такого — по свободе помогу.

  22. nightlywind

    @GetChiper
    Благодарю Вас. С нетерпением буду ждать.

  23. nightlywind

    @GetChiper
    Прошу меня простить за мою настойчивость, хотел просто уточнить, как там обстоят дела с прошивочкой? Я Вас ни в коем случае не тороплю, не поймите не правильно. Очень надеюсь на Вашу помощь.

  24. kamaz6141

    А вот если RGB ленту подключать например, то каждый канал через транзистор пускать?

  25. Wan-Derer

    GetChiper :
    Это Вы, наверное, путаете схему включения с общим эмиттером (ОЭ) и эмиттерный повторитель(ОК). В схеме с ОЭ как раз и происходит усиление по току и по напряжению.

    Я вам щас адын странный вэщь скажу… Но в п 1.2 у вас таки повторитель, т.е. схема с ОК. Вот смотрите: вы подали «1» на вых МК, тр-р открылся, лампа зажглась, т.е. тоже «1» — повторитель.
    Определение примерно такое: схема с общим Х — это когда Х является общим для входного и выходного сигнала. Так? Смотрим схему… Нагрузка включена между К и «+», т.е. Э к ней никаким боком! А то, что Э лежит на «земле» пусть вас не вводит в заблуждение. Да, мы привыкли что входной сигнал прикладывается между ножкой и «землёй»… НО! Сопротивление источника напряжения (блока питания) очень мало, им можно пренебречь. Поэтому можно сказать, что входной сигнал точно так же прикладывается между ножкой и «+» 🙂 Тогда всё логично: вход между Б и «+» (а через Rнагр — между Б и К), выход между К и «+». Окончательно запутал, да? 🙂
    Вот, если бы в той же самой схеме нагрузку включить между К и «землёй», т.е. параллельно тр-ру, получилась бы схема с ОЭ, инвертор.
    Схема ОК (повторитель) усиливает по току.
    Схема ОЭ (инвертор) усиливает и по току, и по напряжению.

  26. GetChiper Автор записи

    Wan-Derer :

    Я вам щас адын странный вэщь скажу… Но в п 1.2 у вас таки повторитель, т.е. схема с ОК. Вот смотрите: вы подали «1″ на вых МК,…

    Википедии верите? Вот как выглядит схема включения транзистора с общим коллектором (ОК)
    http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BC%D0%B8%D1%82%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BF%D0%BE%D0%B2%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C

  27. Wan-Derer

    @GetChiper
    Честно говоря, я себе весь моск сломал с этими схемами включения, и тогда — когда это изучал, и сейчас, когда пытаюсь вспоминать 🙂 Разумеется, мои слова не надо воспринимать как абсолютную истину, скорее как попытку обсуждения.
    Вот, наткнулся на замечательную страничку: http://230nsc1.phy-astr.gsu.edu/hbase/electronic/amp.html , всё клёво, интерактивно, рассмотрены и «теоретические» схемы и более близкие к практическим. Судя по ней, прав ты, а не я 🙂
    НО! Есть одна закавыка. Схема ОЭ является инвертором, т.е. выходное напряжение инверсно по отношению к входному (или фаза сдвинута на 180 град). А твоя-то схема ничего не инвертирует!
    Подаём «1» на транзистор, он открывается, его сопротивление падает, всё напряжение источника приходится на нагрузку, т.е. на нагрузке тоже «1». Подаём «0», тр-р закрывается, его сопротивление растёт, всё напряжение (падение напряжения) приходится на него, нагрузке ничего не остаётся, т.е. на ней тоже «0».
    То же самое получается если рассматривать не напряжения, а токи.
    Парадокс? Или не? 🙂

  28. GetChiper Автор записи

    Ничего, все мы учимся, причем всю жизнь. И помираем дураками 🙂

  29. Tima

    Можно ли коммутировать через ULN2003an напряжение 24в для управления реле? И нужны ли изменения в схеме при управлении с ардуины?

  30. mcmega

    Думаю что можно, напряжение Vcc до 50В, главное чтоб релюшка потребляла до 500мА (а лучше до 350мА).

  31. Tima

    А что на счет подключения к ардуине?

  32. mcmega

    Помойму там всё тоже, что и к контроллеру, те же логические уровни. Думаю будет работать.

  33. GetChiper Автор записи

    Ардуина — это голый микроконтроллер. Все что подключено к выводам Ардуино — считай подключено к ножкам микроконтроллера. Так что работать все будет.

  34. Tima

    Все работает! Спасибо за ответы! Просто перед тем, как спросить здесь спалил 2е ULN2003а неправильно подключив!

  35. KT361A

    Небольшое предостережение по использованию ULN2003A(L)- не нагружайте ее сильно! В какой-то статье на гетчипе было написано что 1н ключ в ней тянет до 500мА( параллелим 2а ключа и получаем 1А). Круто же, кроха, а тянет как слон, но не тут то было. Решил я сделать свет в комнату на ней и http://www.getchip.net/posts/076-upravlenie-nagruzkami-pri-pomoshhi-ir-pulta-attiny13/, собрал, в качестве светильника по LED ленте из 24 светиков( 1на жрет 300мА) на канал. Пока тэстил устройство, использовал 2а канала( она уже грелась прилично !), а завесив третий она поработала и пробилась. Использовал SMD вариант УЛН (просто их валом у меня),но думаю что и с DIP версиеи будет тоже самое( мож подольше послужит из-за большего корпуса).

  36. SVN

    @KT361A
    Читайте внимательно даташит и тогда таких сюрпризов не будет.

  37. VeniaminCaver

    Подскажите, можно ли подобрать твердотельное реле для включения ТЭНа мощностью до 3кВт с силой тока соответсвенно до 15А. Собираю автоматическую пивоварню на базе avr (atmega8) — необходимо опрашивать датчик температуры и в зависимости от результата — включать/выключать ТЭН — но вот какой мостик использовать от мозгов к 3кВт хреновине не представляю. Подскажите пожалуйста, если не составит труда. Спасибо.

  38. GetChiper Автор записи

    Я понимаю, конечно, для пива ничего не жалко 🙂 но, по моему, обычное реле с этой задачей вполне справится (и цена вопроса будет на порядок ниже).

  39. Sergey345

    ОГРОМНЕЙШЕЕ СПАСИБО!!!

    Теперь знаю как подключить нагрузки к готовому китовскому набору NM8036

  40. nsystemst

    Подскажите пожалуйста, как правильно реализовать ШИМ на tiny13! На макетке у меня всё просто: ШИМ выход подключен напрямую к затвору полевика (IRF1405). Полевик управляет оборотами электродвигателя который питается от источника 12В. http://clip2net.com/s/3anWdCe . Но при подключении нагрузки в 10А полевик сильно греется, я так понимаю одна из причин — недостаточное напряжение на затворе (до 5В от микроконтроллера), в комментариях было написано что в для увеличения напряжения нужно использовать npn биполярник в качестве усилителя по напряжению, если кому не сложно набросайте схему, как именно его подключить. Спасибо!

  41. siema

    Здравствуйте! Есть один элемент управления (скажем: реле в цепи коллектора транзистора ОЭ. Хорошо, если МК большой и можно управлять одной нагрузкой по изменению состояний на нескольких входах. Но если вдруг необходимо управлять одним ключом с выходов нескольких маленьких МК, как быть в этом случае?

  42. GetChiper Автор записи

    В идеале — использовать микросхему ИЛИ-логики.
    По простому — свести все сигналы в кучу через диоды (не забыть подтянуть к земле общую точку)

  43. siema

    GetChiper :
    В идеале – использовать микросхему ИЛИ-логики.
    По простому – свести все сигналы в кучу через диоды (не забыть подтянуть к земле общую точку)

    Благодарю за ответ.

  44. kamaz6141

    Здравствуйте! А как правильно рассчитать резистор для полевика? Внятной информации поиск не дал 🙂 Заранее спасибо!

  45. GetChiper Автор записи

    Тот который 3кОм? Вообще ток через затвор при открытом полевике мизерный и никакого резистора вообще не нужно. Но затвор — это по сути емкость, соответственно в момент открытия полевика емкость затвора заряжается и ток этого заряда будет довольно приличный. Вот от этого тока и защищается МК балластным резистором. Сопротивление резистора должно быть выбрано из условия не превышения допустимого тока порта (принимаем 20 мА). Даже если принимать, что в момент открытия полевика происходит КЗ достаточно будет 300 Ом.

Добавить комментарий