Как преобразовать ШИМ 0-5В в ШИМ 0-12В

Обычно для этого используется транзистор.

SW1 — это ваш микроконтроллер, создающий сигнал ШИМ.

Я советую вам изучить основы подключения внешних компонентов к MCU. Ответ на ваш вопрос - простой транзисторный усилитель... Таким образом, вы можете использовать биполярный транзистор (NPN/PNP) или МОП-транзистор... МОП-транзисторы лучше подходят для переключения, как в вашем случае, переключения через ШИМ.

Если вы переключаете индуктивную нагрузку с помощью полевого МОП-транзистора, например двигателей или катушек, не забудьте добавить встречно-обратный диод. В противном случае ваш MOSFET сгорит.

Если вам нужно переключение с более высокой частотой или нагрузка с большим напряжением или мощностью, я советую использовать двухтактную логику для управления затвором MOSFET.

Что-то вроде этого:

Используйте MAX232

Преимущества MAX232:

• У него малое время нарастания/спада. Хороший ШИМ должен быть резким. Поскольку MAX232 предназначен для связи через последовательный порт, т. е. TTL-RS232 и RS232-TTL, он должен работать надежно. Надежность обеспечивает малое время нарастания/спада.

• Работает при малых токах. ОП предположил, что для привода вентилятора требуется только ШИМ, т. Е. У него есть внутренние усилители тока.

• Это дешево. Инженерные решения должны быть не дороже, чем должны быть, а MAX232 вдвое дешевле L298.

Недостатки MAX232:

• Поскольку последовательный порт компьютера используется гораздо реже, основное использование MAX232 закончилось. Поэтому он есть не во всех хобби-наборах и найти MAX232 может быть сложнее. В основном инженеры старшего возраста, которые играли с PIC16F877A до того, как ardunio стали популярными, помнят такие микросхемы.

Недостатки L298:

• L298 — это усилитель тока, а не усилитель напряжения. Использование его в целях, отличных от основного, неоптимально.

• L298 имеет огромный выходной ток. Это может привести к превышению пороговых токов вентилятора и вызвать неисправность. Очень неразумно подключать L298 с номинальным током 1 А к сигнальному контакту с номинальным током 0,5 мА.

• L298 имеет странную схему выводов. Он имеет пакет ZIP, а не обычный DIP, что позволяет прикреплять радиаторы, что увеличивает размер схемы.

• L298 имеет большое время нарастания/спада. Его цель - генерировать большие токи, а не ШИМ. Поэтому расчетное время нарастания/спада не только велико, но и ненадежно.

• L298 требует четырех диодов Шоттки с высоким номинальным током. Стоимость этих диодов будет больше, чем у L298, и они очень большие, что приводит к гораздо большей площади схемы.

Вы действительно хотите использовать H-Bridge? Используйте L293D.

• L293D по-прежнему является усилителем тока, но не излишеством, как L298. Его выходной ток в четыре раза меньше, чем у L298, поэтому вероятность неисправности снижается.

• L293D имеет раскладку DIP. В большинстве приложений для любительской электроники используются разъемы DIP для последующего монтажа микросхем, и вы можете сделать это с помощью L293D.

• L293D имеет внутренние обратноходовые диоды. Так что вам не нужно ни покупать, ни размещать их в своей сети.

Хотите создать собственную схему? Используйте транзистор перезарядки/разрядки затвора/базы.

В основном все транзисторы имеют конденсатор затвора/базы, который необходимо зарядить, прежде чем транзистор переключится в положение ВКЛ, и разрядить, прежде чем он переключится в состояние ВЫКЛ. Усилители мощности обычно не обращают внимания на время нарастания/спада, за одним заметным исключением, которое мне приходит на ум, являются музыкальные усилители.

Как насчет разрядного резистора?

Замена разрядного транзистора простым резистором работает, но это увеличит потребление энергии от источника ШИМ. Это компромисс между простотой и производительностью.

Комментарии к реле

Реле обычно имеют более высокое время переключения, потому что их входной модуль состоит из диода, а выходной модуль состоит из транзистора, т. е. вы должны сложить время их реакции. Это приводит к искажению на выходе ШИМ. Кроме того, нет необходимости использовать SSR при работе с низким энергопотреблением, достаточно оптоизолятора.

Последний комментарий о проектировании схем

Схемы имеют множество компромиссов. Стоимость, доступность, сложность, размер, производительность — это лишь некоторые из них. Хороший дизайн должен учитывать все. Чтобы оценить мои предложения выше:

• MAX232: дешевый, простой, компактный, с хорошей производительностью, недоступен
• L298: дорогой, сложный, большой, с низкой производительностью, доступен
• L293D: дешевый, простой, компактный, посредственная производительность, доступный
• Простой транзистор: дешевый, простой, маленький, посредственная производительность, доступный
• Модифицированный транзистор с базовой перезарядкой/разрядкой: дорогой, сложный, большой, с хорошей производительностью, доступный

Итак, я бы оценил L298 как наихудшее из возможных решений, которое действительно работает.

Примечание: весь мой ответ ниже предполагает, что вам нужно управлять 2-проводным щеточным двигателем постоянного тока (или аналогичной нагрузкой, такой как аудиодинамик) напрямую, с реальной мощностью и реальным током. На этом основан весь мой ответ. Однако после того, как я написал свой ответ, ОП опубликовал это в комментарии под своим вопросом (курсив добавлен):

У меня не было серийного номера вентилятора до сегодняшнего дня, теперь у меня есть, я проверил спецификацию, и подходит вариант с низким энергопотреблением, так как он требует только ШИМ-сигнала для управления скоростью, остальное осуществляется с помощью встроенного контроллера — требуется сигнал не более 0,5 мА.

Итак, хотя мои ответы ниже по-прежнему будут работать для обеспечения выходного ШИМ, скажем, 12 В, от входного ШИМ на 5 В, они предназначены для управления двухпроводным коллекторным двигателем постоянного тока напрямую с реальной мощностью и реальным током. Тот факт, что они также могут обеспечивать выходной сигнал ШИМ при напряжении 12 В, является второстепенным, но вполне применимым.

Кроме того, важно отметить, что все мои ответы ниже, как ожидается, будут использоваться при максимальной частоте ШИМ до нескольких десятков кГц, если иное не указано в технических описаниях продуктов, например: многие высокопроизводительные драйверы двигателей марки Pololu ( H-мосты), которые я рекомендую ниже, могут управляться с частотой ШИМ до 100 кГц, поскольку они используют такие высококачественные и быстрые схемы драйвера затвора MOSFET как с мощным активным драйвером затвора HIGH , так и с активным, высоко- привод Gate управляет НИЗКИМ уровнем НИЗКОГО уровня напряжения в H-мостах.

TLDR;

Перейдите прямо к разделу под названием "Вот некоторые Н-образные мосты, которые вы можете купить" в разделе "Вариант 2". раздел ниже. Купите один из них и готово.

Напоминание: на любом H-мосте, когда вы подаете ШИМ на вход при 5 В с определенным коэффициентом заполнения и частотой, эквивалентный или почти эквивалентный выход ШИМ с уровнем напряжения Vsupply будет происходить на выходе H-моста. Это точное назначение полу-H-моста. И, это, в дополнение к двунаправленности мощности, тока и напряжения, является точной целью полного Н-моста. ШИМ выходная частота Н-моста будет полностью идентична входной ШИМ, а ШИМ рабочий цикл будет почти идентичным, при этом искажение формы выходного сигнала ШИМ будет увеличиваться по мере увеличения частоты ШИМ.

Вариант 1 из 3: [нестандартная схема] Инженер-электрик / "очень любопытный любитель с большим количеством времени" ответ:

Я проголосовал за ответ @Sahasrar. Если вы не взглянули на это, вы должны. Он полностью соответствует этому «Варианту 1». категория.

Однако на его первом изображении при управлении выводом D7 затвор MOSFET активно управляется как ВЫСОКИМ, так и НИЗКИМ с максимальным (начальным) током I = V / R = 5 В / 100 Ом = 0,05 А = 50 мА, что хорошо, но немного слабо (хороший драйвер затвора MOSFET больше похож на управляющий ток 500–1000 мА). Это также превышает максимальный номинальный ток вывода Arduino в 40 мА, поэтому я рекомендую вам выбрать резистор немного большего размера. Резистор здесь предназначен для ограничения тока, чтобы не повредить вывод Arduin o при зарядке и разрядке емкости затвора полевого МОП-транзистора, емкость которой достаточно значительна для МОП-транзисторов (но НЕ транзисторов BJT), поэтому она даже указана как параметр в МОП-транзисторе. паспорт транзистора (но не в паспорте транзистора BJT). Без этого резистора затвора каждый раз, когда вы переводите затвор в ВЫСОКИЙ или НИЗКИЙ уровень, в противном случае у вас будет эквивалент мгновенного мгновенного короткого замыкания через вывод Arduino, который может повредить вывод.

Кроме того, вы должны обязательно использовать логический уровень N-канальный МОП-транзистор, который может управляться напряжением затвора от 3,3 до 5 В, вместо того, чтобы требовать более 10–12 В. .

Итак, с первой схемой @Sahasrar максимальная частота ШИМ, которую вы можете использовать, составляет, вероятно, несколько десятков кГц.

Если вам нужно управлять более высокими частотами ШИМ, решение состоит в том, чтобы использовать двухтактную логическую схему, которую @Sahasrar показывает вместо этого. Но вы должны заполнить пробелы: выбрать детали, выполнить расчеты, иметь дополнительные знания.

В обоих случаях вы также должны обязательно использовать обратноходовой диод для подавления скачков напряжения, вызванных индуктивностью!

Вариант 2 из 3: [просто купите драйвер двигателя постоянного тока с Н-образным мостом] Обычный любитель / индивидуальный ответ в условиях ограниченного времени:

Итак, быстрое решение — просто купить моторный привод и все!

Вы можете использовать любой H-мост для 1-канального (1 устройство) двунаправленного привода или для 2-канального (2 отдельных устройства) однонаправленного привода.

Или вы можете использовать половину H-моста для одноканального однонаправленного привода.

H-образные мосты часто называют "щеточными двигателями". Они справятся со всеми сложными схемами электротехники за вас.

Н-образные мосты отлично подходят для таких вещей, как:

• щеточные, НЕ бесщеточные двигатели постоянного тока
• мощные светодиоды, при условии, что у вас есть средства управления током, такие как большой пассивный силовой резистор или контур управления обратной связью по току и управляющий код
• динамики (для звуковых сигналов, гудков или цифровой музыки на основе ШИМ [НЕ аналогового усилителя], голоса или насыщенного звука). Бывший:
  • библиотека тонов
    • [ok] tone() библиотека
    • [лучшее] toneAC() библиотека
      • Пример проекта сирены, который я сделал с библиотекой toneAC, большим динамиком и специальным драйвером или Н-мостом:
        • https://www.electricrcaircraftguy.com/2016/01/arduino-playing -siren-sound.html
        • https://www.youtube.com/watch?v=anuan0oEOQw&feature=emb_logo
        • https://www.youtube.com/watch?v=y31gM3m3VJI – финальный проект демонстрационное видео: сирена
  • библиотека музыки/богатого звука на основе ШИМ
    • [отлично] библиотека TMRpcm

Вот некоторые Н-мосты, которые вы можете купить:

При поиске таких вещей рекомендуемые поисковые запросы включают "драйвер двигателя постоянного тока" или "ч-мост". Даже если вы планируете управлять светодиодом или динамиком, это все равно правильные условия поиска и детали. Просто убедитесь, что то, что вы покупаете, принимает вход ШИМ в качестве управляющего сигнала, и что этот вход ШИМ означает настоящий ШИМ, а НЕ "ШИМ" сервопривода. сигнал, который сильно отличается.

Просто купите один из них и готово:

1. Недорогой H-мост L9110S за 1 доллар:
   1. Поиск на Ebay по запросу "arduino h bridge"
   2. техническое описание L9110
      1. Питание от 2,5 В до 12 В
      2. Максимальный непрерывный ток 800 мА на канал
2. Дешевый H-мост L298N за 3 доллара (намного мощнее):
   1. Найдите на Ebay "arduino h bridge L298"
   2. Пример спецификации: http://www.handsontec.com/dataspecs/L298N%20Motor%20Driver .pdf
      1. Питание от 3,2 до 40 В
      2. 2 А пикового тока
      3. Максимальная мощность 20 Вт
3. Высококачественные, надежные, хорошо спроектированные драйверы двигателей постоянного тока/H-мосты от робототехнической компании Pololu:
   1. Полный список драйверов двигателей смотрите здесь! https://www.pololu.com/category/11/brushed-dc-motor-drivers< /а>
   2. Пример: Мощный драйвер двигателя Pololu G2 18v25 за 40 долларов
      1. Питание от 6,5 В до 30 В
      2. Логические сигналы 1,8 В, 3,3 В или 5 В.
      3. Макс. непрерывный ток 25 А
      4. ШИМ с частотой до 100 кГц, потому что они имеют отличные драйверы затвора MOSFET, которые минимизируют время работы MOSFET в омической области и, следовательно, нагрев MOSFET!
      5. Если вы спешите и хотите получить высокое качество, Pololu — отличный выбор!
      6. Крошечный! 1,3 кв. x 0,8 дюйма, и радиатор не требуется, опять же, из-за их превосходных схем драйверов затворов MOSFET и MOSFET.

Вариант 3 из 3: [Радиоуправляемый щеточный ESC (электронный регулятор скорости)] (самый простой из всех!) — предпочтительнее для тех, кто имеет опыт работы с радиоуправляемыми автомобилями и/или кому нужна действительно большая мощность

Важно: поскольку эта опция НЕ дает вам низкоуровневого управления выходом ШИМ напрямую, эти контроллеры НЕ могут управлять динамиками для звука, тогда как драйверы Варианта 1 и Варианта 2 выше может!

Было бы упущением, если бы я не включил и этот ответ, так как это одна из моих специальностей. Это проще всего! Единственным его недостатком является то, что он дает менее точную настройку управления, чем непосредственное управление низкоуровневым ШИМ-выводом двигателей, как это можно сделать с помощью приведенных выше драйверов двигателей, по сравнению с контроллерами двигателей<. /em> ниже. Еще одним преимуществом приводов электродвигателей с радиоуправляемыми щетками для любителей, представленными ниже, по сравнению с приводами двигателей робототехники типа Pololu, указанными выше, является мощность и ток: приведенные выше драйверы двигателей от Pololu например, максимальный ток составляет 25 А, в то время как некоторые RC-контроллеры щеточных моторов, некоторые менее мощные примеры которых показаны ниже, могут непрерывно управлять током до 100–200 А, что является ОГРОМНЫМ.

Просто купите ESC с радиоуправлением (RC) и подайте на него ШИМ-сигнал сервопривода через Библиотека Arduino servo, НЕ настоящий ШИМ-сигнал с analogWrite()!

Вы подаете ему сигнал сервопривода, и он автоматически генерирует ШИМ низкого уровня для двигателя, используя свой внутренний микроконтроллер и схему драйвера полевого МОП-транзистора, обычно порядка 8–16 кГц на выходной частоте ШИМ. Многие из этих типов ESC используют внутренний микроконтроллер ATmega168.

Для однонаправленного ESC, например, для радиоуправляемых самолетов, значение сервопривода в микросекундах от 700 до 1300 мкс соответствует дросселю 0%, а значение сервопривода в микросекундах от 1700 до 2100 мкс соответствует дросселю 100%.

Для ESC с двойным направлением, например, для радиоуправляемых автомобилей, с передним и задним ходом, значение в микросекундах ~1500 мкс соответствует 0% дроссельной заслонки, ~2000 мкс или около того соответствует 100% дроссельной заслонке вперед, а ~1000 мкс или около того соответствует 100 мкс. % дроссельной заслонки заднего хода.

Пример кода:

#include <Servo.h> 

Servo brushed_motor;

void setup() 
{ 
  brushed_motor.attach(9); // контакт 9

  // дроссель ~0% (рабочий цикл ШИМ 0%), в зависимости от ESC
  // калибровка и предположение о том, что ESC работает только вперед для радиоуправляемых самолетов
  brushed_motor.writeMicroseconds(1000); 

  delay(2000);
  
  // ~100% дроссель (100% выходной рабочий цикл ШИМ), в зависимости от ESC
  // калибровка и предположение о том, что ESC работает только вперед для радиоуправляемых самолетов
  brushed_motor.writeMicroseconds(2000); 
} 

void loop() 
{
    // то, что вам нужно здесь
} 

Чтобы откалибровать один из этих регуляторов скорости на любое желаемое значение дроссельной заслонки, просто установите его на 2000 мкс (полный газ) ПЕРЕД его включением (осторожно — на случай, если вместо этого он решит использовать полный газ), а затем включите его. , и он зарегистрирует это как «полный газ». Затем, не отключая питание, установите его на 1000 мкс (0% дросселя), и он зарегистрирует это как 0% дросселя. Теперь он откалиброван так, чтобы 1000 мкс соответствовали дросселю 0%, а 2000 мкс — 100% дросселю. Если вы используете ESC с радиоуправляемым автомобилем вместо ESC с радиоуправляемым самолетом, вам, возможно, придется поиграть с ним, провести некоторое исследование и прочитать его руководство, чтобы получить то, что вы хотите, поскольку 1500 мкс можно считать 0% газа, а 2000 мкс — 100. % дроссель вперед, а 1000 мкс — 100% дроссель назад. Итак, проведите исследование.

В любом случае, вот несколько щеточных радиоуправляемых регуляторов, которые прекрасно могут управлять моторами, воздуходувками или чем-то еще.

• ХоббиКинг:
  • Матовые RC CAR ESC на HobbyKing
    • 12 долл., 45A ESC, 2S LiPo (от 6 В до 8,4 В), макс. ;indexName=hbk_live_magento_en_us_products">здесь
    • 40 долл., 80 А в непрерывном режиме, 400 А в пиковом режиме (да, эти цифры кажутся мне правильными), 2-3S LiPo (от 6 В до 12,6 В) здесь

Это всего лишь пара примеров. Радиоуправляемые регуляторы, подобные этим, спроектированы так, чтобы быть очень мощными для дорогих радиоуправляемых автомобилей, которые иногда могут разгоняться до 25–100 миль в час и быть довольно большими. Проводить некоторые исследования. Матовые RC ESC продаются во многих местах. У HobbyKing лучшие цены в отрасли на такие вещи, а качество деталей обычно от хорошего до очень хорошего.

По теме:

1. [мой ответ] Переключение соленоида с помощью 5-вольтового выхода Arduino?
   1. Вот мой ответ на другой вопрос, который отвечает на ваш вопрос. На приведенной ниже диаграмме из этого другого ответа реле + R2 является нагрузкой. Замените эту нагрузку (реле + R2) на ваш двигатель в качестве нагрузки, и это также вполне законная схема для решения вашей проблемы. 5В здесь, в этой цепи к базе транзистора, будут заменены вашим ШИМ-сигналом логического уровня 5В, поступающим от вашего Arduino. Я также расскажу о расчетах и о том, как определить размер всех компонентов. Попробуйте использовать сильноточный TIP120 NPN BJT 5 Ампер непрерывный транзистор вместо 2N3904 в моей схеме и обязательно переделайте расчеты для определения размера базового резистора R1.
   2. Обратите внимание, что эта схема позволяет вашему контакту Arduino активно управлять выходом как ВЫСОКИЙ , так и НИЗКИЙ, но, поскольку он проходит через этот (относительно небольшой) базовый резистор, это, вероятно, только подходит для частот ШИМ до нескольких десятков кГц или около того. Осциллограф, используемый для просмотра выходных данных, прояснил бы это. Увеличивайте входную частоту ШИМ до тех пор, пока искажение формы выходного сигнала ШИМ не станет значительным.
   3. 

Насколько я могу судить, у Arduino нет выходов с открытым коллектором, поэтому вы можете имитировать его следующим образом. Следующее инвертирует выходной сигнал Arduino, поэтому при генерации ШИМ-сигнала требуется некоторая настройка.

Извините за довольно грубую схему. Я не могу найти параметры масштабирования.

Конкретные номиналы резисторов не очень важны, в основном для ограничения тока.