Как Arduino может управлять более мощными устройствами (двигателями, соленоидами, лампами и т. д.)?

Мне нужно широко применимое решение, которое можно было бы адаптировать к различным проектам.

В настоящее время я работаю над несколькими проектами, каждый из которых требует управления устройствами от 800 мА до 2 А от Arduino Uno. Один управляет шаговыми двигателями, другой управляет электромагнитными приводами на 12 В постоянного тока, а третий управляет пневматическими клапанами на 12 В постоянного тока.

Например:

Arduino контролирует кнопку, и каждый раз, когда она нажимается, срабатывает электромагнитный привод. Поскольку Arduino не может обеспечить ток, требуемый соленоидом, требуется отдельный источник питания, при этом Arduino управляет переключателем (реле, транзистор и т. д.), который пропускает более высокий ток. Для шагового двигателя компоновка более сложная, так как потребуется четыре контакта, управляющих четырьмя отдельными переключателями (для обеспечения функциональной совместимости схемы). Реле управляет воздушным клапаном и также требует 12 В постоянного тока.

Я пытаюсь понять, как использовать единую схему, которую можно использовать в каждом из этих приложений (и любых будущих проектах), которые включают управление устройствами с более высоким током, чем могут выдержать контакты Arduino.

Движущими факторами являются скорость создания прототипа, стандартизированные компоненты и низкая стоимость. Также важны скорость переключения, срок службы и уровень шума.

Есть ли коммутационная плата, схема или компонент, которые можно подключить к контакту Arduino и использовать для управления сильноточным устройством? В идеале с потенциометром, управляемым программным обеспечением, чтобы сопротивление для разных проектов можно было установить в самом скетче.

, 👍21

Обсуждение

Так что же будет контролировать этот совет? Сопротивление или напряжение? Или само устройство?, @hichris123

Плата будет управлять самим устройством. Я добавил детали к вопросу., @jlbnjmn

Дайте определение «большому току»., @jippie


4 ответа

Лучший ответ:

13

Чтобы управлять такими большими токами, вам, возможно, придется каскадировать несколько транзисторов (вы также можете использовать транзистор Дарлингтона). В микросхему встроены массивы транзисторов Дарлингтона (например, ULN2803A имеет 8 транзисторов Дарлингтона, но имеет ограничение по току до 500 мА).

Возможно, вам придется иметь дело с более мощными транзисторами; в качестве примера я нашел STMicroelectronics TIP110, который может поддерживать переключение 2A ток (пик 4 А), но, вероятно, потребуется радиатор для отвода тепла.

Обратите внимание, мне интересно, действительно ли вашим шаговым двигателям нужен ток 2 А (они такие большие?). Для шаговых двигателей обычно можно найти микросхему, которая может легко управлять ими, например, L293D, но эта может управлять «всего» 600 мА).

В заключение, я боюсь, что вы не найдете универсального решения, поскольку все ваши устройства разные и должны управляться соответствующей схемой.

Изменить:

Поскольку слишком большой размер не является проблемой в вашем прототипе, вы можете использовать MOSFET вместо обычных биполярных транзисторов. МОП-транзистор сможет управлять более высокими токами и напряжениями, чем стандартные транзисторы.

Недостаток в том, что вы можете использовать его только как переключатель (например, как реле) и, таким образом, не можете управлять точным питанием ваших устройств. Я предполагаю, что это не имеет значения для шагового двигателя или соленоида, но может быть важно, например, для дальнего света.

Однако хорошо, что для этого можно использовать ШИМ, так как скорость переключения MOSFET достаточно хороша для таких целей.

Что касается цены, существует множество различных типов полевых МОП-транзисторов, но я думаю, вы можете найти тот, который соответствует вашим потребностям (12 В, 2 А) менее чем за 1 доллар.

Советую вам взглянуть на эту замечательную статью на эту тему.

,

2А для соленоидов. Я понимаю, что один размер подходит всем — это сложная задача и не идеальный вариант для производства. В этом случае целью является более быстрое прототипирование, где допустимо чрезмерное строительство., @jlbnjmn

Обратите внимание, что даже с TIP110 вам, вероятно, придется добавить меньший транзистор между ним и выходным контактом Arduino, поскольку TIP110 может потреблять 50 мА на своей базе, что слишком много для контакта Arduino., @jfpoilpret

Я думаю, что TIP 120 идеально подходит для этого, согласно техническому описанию, он способен работать с токами до 5А и 6В - https://www.fairchildsemi.com/datasheets/TI/TIP120.pdf, @Yasitha Waduge

7

Существует множество способов переключения более высоких нагрузок, и jfpoilpret описал несколько хороших вариантов. Я приведу несколько решений на основе реле, которые в основном подходят для сравнительно медленных скоростей переключения (т.е. обычно не подходят для ШИМ).

Твердотельные реле
Твердотельные реле (SSR) по сути являются полупроводниковыми переключателями. Они бывают самых разных конфигураций, в зависимости от ваших требований, но ключевым фактором является то, что они не имеют движущихся частей. Это означает, что они могут быть очень надежными в долгосрочной перспективе при правильном использовании.

Как правило, внутри они состоят из полевых МОП-транзисторов, тиристоров и т.п. Теоретически это может позволить им достичь довольно высоких скоростей переключения. На практике, однако, чем на большую мощность он рассчитан, тем труднее быстро переключаться. Это означает, что высокая скорость + высокая мощность могут обойтись довольно дорого.

Критическим фактором, о котором следует помнить, является то, что вам обычно потребуется другой тип SSR, если вы собираетесь переключать переменный ток вместо постоянного. Также полезно отметить, что некоторые из них поставляются со встроенным оптоизолятором или аналогичным устройством для разделения источников питания.

Электромеханические реле
Это более «традиционный» подход. Электромеханическое реле (ЭМР) представляет собой довольно простой компонент, содержащий механический переключатель, управляемый электромагнитной катушкой. Если переключатель нормально разомкнут, катушка замыкает его при подаче управляющего тока. Напротив, нормально замкнутый переключатель будет размыкаться при подаче управляющего тока.

Существует ряд преимуществ EMR по сравнению с SSR. Наиболее очевидным является стоимость — их простота делает их довольно дешевыми, а стоимость более мощных версий не возрастает так резко. Кроме того, управление и нагрузка по своей сути изолированы, и им все равно, переключаете ли вы переменный или постоянный ток.

Однако есть несколько недостатков. Механический аспект означает, что ЭМИ обычно намного медленнее, чем решения немеханического переключения, и могут страдать от дребезга контактов. Кроме того, они могут физически изнашиваться, и на них могут влиять такие вещи, как удары, вибрации и (потенциально) другие магнитные поля.

При проектировании схемы для использования ЭМИ важно знать об обратной ЭДС (электродвижущей силе). Когда подается управляющий ток, катушка действует как индуктор, накапливая заряд электромагнитным способом. Когда управляющий ток прекращается, накопленный заряд может вернуться обратно через цепь управления, создавая большой отрицательный всплеск напряжения (потенциально намного больший, чем тот, который был первоначально приложен).

К сожалению, этот шип может повредить/уничтожить любые подключенные компоненты или выводы микроконтроллера. Обычно это предотвращается/уменьшается путем установки диода в обратном направлении на управляющие контакты реле. В этом контексте его иногда называют обратным диодом, который позволяет безопасно рассеять ЭДС.

,

Могли бы вы сказать, что МОП-транзистор, используемый, как описано в статье, на которую ссылается jfpoilpret, был бы подходящей альтернативой электромеханическому реле для этих приложений?, @jlbnjmn

Да, для приложений, которые вы описали, я полагаю, что MOSFET будет достаточно. Просто помните, что они чувствительны к статическому разряду, поэтому при обращении с ними принимайте соответствующие меры предосторожности., @Peter Bloomfield

3

Как уже сказал jfpoilpret, силовой МОП-транзистор отлично подходит для включения и выключения питания 12 В постоянного тока для устройств, потребляющих до 44 А. Существуют десятки таких мощных МОП-транзисторов по цене менее 1 доллара каждый. Доступны более дорогие полевые МОП-транзисторы, которые могут работать с гораздо более высокими токами и напряжениями.

В принципе можно управлять шаговым двигателем с помощью микроконтроллера, нескольких транзисторов и нескольких других мелких деталей. Однако многие люди предпочитают использовать «микросхему шагового драйвера», поэтому программная ошибка не может случайно включить транзисторы таким образом, чтобы закоротить источник питания на землю (обычно разрушая как минимум 2 транзистора). Многие современные микросхемы драйверов шаговых двигателей также поддерживают микрошаги, ограничение тока, защиту от тепловой перегрузки и другие полезные функции.

Все микросхемы драйверов шаговых двигателей, о которых я когда-либо слышал, а также несколько готовых коммутационных плат, использующих эти микросхемы, перечислены по адресу http://reprap.org/wiki/stepper_motor_driver .

В частности, многие 3D-принтеры RepRap, которые я видел, подключают Arduino к четырем шаговым драйверам Pololu. (менее 15 долларов каждый) для управления пятью шаговыми двигателями.

,
1

Я сделал схему Arduino (Arduino Nano) для питания 12-вольтового элемента Пельтье (который также является источником высокой мощности) с использованием транзистора MTP3055V MOSFET 60V 12A. И схема работает очень хорошо.

,
Смотрите также: