Как подключить к устройству нагрузку?

Как подключить мощную нагрузку к микроконтроллеру

Что нужно для того, чтобы стать профессиональным разработчиком программ для микроконтроллеров и выйти на такой уровень мастерства, который позволит с лёгкостью найти и устроиться на работу с высокой зарплатой (средняя зарплата программиста микроконтроллеров по России на начало 2017 года составляет 80 000 рублей). Подробнее.

Как вы понимаете, мощную и/или высоковольтную нагрузку (такую как лампы накаливания, электродвигатели, электронагревательные элементы и т.п.) нельзя напрямую подключить к выходу микроконтроллера. Потому что выходы микроконтроллера:

  1. Не рассчитаны на работу с высоким напряжением.
  2. Не рассчитаны на управление мощной нагрузкой (нагрузкой, которая потребляет большой ток).
  3. Не имеют гальванической развязки (иногда это важно даже при управлении слаботочной нагрузкой).

Из этого следует, что для управления с помощью микроконтроллера мощной нагрузкой необходимо применять какие-то хитрые способы сопряжения выходов микроконтроллера с нагрузкой. Этих способов несколько:

Более подробно эти виды подключения будут рассмотрены в соответствующих статьях. А здесь я буду говорить только о достоинствах и недостатках этих способов.

Подключение нагрузки через оптрон

Итак, один из наиболее простых способов — это подключение через оптрон (фотосемистор, фототиристор и т.п.).

Этот способ подходит для управления активной нагрузкой, такой как лампы накаливания, электронагреватели и т.п. Его преимуществами являются наличие гальванической развязки, относительная простота подключения и дешевизна оптронов. Серьёзный недостаток, пожалуй, один. Но довольно существенный — при управлении индуктивной нагрузкой, такой как электродвигатели, симистор/тиристор оптрона может самопроизвольно открыться (без команды от микроконтроллера). Так что для такого случая придётся принимать дополнительные меры, усложняющие устройство на микроконтроллере.

Также недостатком можно считать то, что для использования оптрона надо хоть немного разбираться в электронике.

Подключение нагрузки через транзистор

Тоже выполняется довольно просто. Стоимость обычных транзисторов тоже относительно невелика. Это плюс.

Минусы — можно управлять только нагрузкой постоянного тока (речь идёт о дешёвых биполярных транзисторах). Причём напряжение нагрузки тоже по возможности должно быть небольшим. Потому что высоковольтные транзисторы стоят уже не очень дёшево (а некоторые и очень дорого).

Ещё один недостаток — отсутствие гальванической развязки между нагрузкой и выходом микроконтроллера.

И, также как в случае с оптроном — надо хотя бы немного разбираться в электронике, чтобы подобрать правильный транзистор и рассчитать схему включения самого транзистора и дополнительных резисторов.

Подключение нагрузки через электромагнитное реле

Подключить электромагнитное реле проще простого. Но это только на первый взгляд. На самом деле тоже есть особенности, которые надо знать (расскажу о них в соответствующей статье). Иначе можно просто вывести из строя выход микроконтроллера.

Преимущества электромагнитного реле:

  1. Низкая цена.
  2. Можно управлять нагрузкой практически любой мощности и напряжения.
  3. Можно управлять нагрузкой как постоянного, так и переменного тока.
  4. Можно управлять как активной, так и индуктивной нагрузкой без каких-либо дополнительных ухищрений.
  5. Есть гальваническая развязка между выходом микроконтроллера и нагрузкой.
  6. Не требуется особых познаний в электронике, чтобы подобрать реле под нагрузку.
  1. Необходимо принимать дополнительные меры для защиты выхода микроконтроллера.
  2. Относительно низкое быстродействие (реле переключается существенно медленнее, чем полупроводниковые приборы — иногда это важно).
  3. Большие габариты и вес. Хотя современные реле довольно миниатюрны, их размеры и вес всё-равно больше, чем размеры полупроводниковых приборов.
  4. Относительно низкий ресурс. Так как в реле имеются контакты, то ресурс реле ниже, чем у полупроводников. Из-за искрения контакты быстрее выходят из строя. Хотя, как показывает практика, качественные реле могут работать десятки лет без поломок.

Подключение нагрузки через твёрдотельное реле

Твёрдотельное реле — это полупроводниковый прибор, который объединяет в себе, например, фотосимистор и всю необходимую для его управления обвязку. То есть твёрдотельное реле можно просто подключить к выходу микроконтроллера, не заботясь о том, какое сопротивление должны иметь гасящие резисторы и т.п.

Однако использовать твёрдотельные реле сложнее, чем обычные реле. Потому как у твёрдотельных реле довольно много разных характеристик, в которых надо разбираться. Впрочем, изучить эту тему несложно.

Недостаток у твёрдотельного реле, пожалуй, один — это высокая цена. Твёрдотельное реле, как правило, стоит в 5. 10 раз дороже обычного электромагнитного реле (то есть это сотни и тысячи рублей за штуку).

Выводы

Какой прибор в каких случаях использовать — определяется из задачи и условий эксплуатации устройства, которое вы проектируете. Здесь всё довольно непросто — придётся вам разбираться самим (я пока не готов всё это описывать))).

Если вы немного запутались и не можете выбрать, что же использовать в вашем устройстве, то совет могу дать такой:

  1. Для активной нагрузки постоянного тока низкого напряжения (до 50 В) используйте транзисторы.
  2. Для любых нагрузок переменного тока и для мощных высоковольтных нагрузок постоянного тока используйте электромагнитные реле.
  3. Ну а вообще думайте, что и как использовать, в зависимости от технических требований к устройству.

Если вы только начинаете разрабатывать устройства, то это вполне пригодный совет. Ну а когда наберётесь опыта, то уже сами сможете определять, какие и когда приборы использовать.

Как подключить нагрузку к блоку управления на микросхемах

Статья о различных способах подключения нагрузки к микроконтроллерному блоку управления с помощью реле и тиристоров.

Все современное оборудование, как промышленное, так и бытовое приводится в действие электричеством. При этом всю его электрическую схему можно разделить на две большие части: устройства управления (контроллеры от английского слова CONTROL – управлять) и исполнительные механизмы.

Лет двадцать назад блоки управления выполнялись на микросхемах малой и средней степени интеграции. Это были серии микросхем К155, К561, К133, К176 и им подобные. Они называются логическими цифровыми микросхемами, так как выполняют логические операции над сигналами, а сами сигналы являются цифровыми (дискретными).

В точности также, как обычные контакты: «замкнут – разомкнут». Только в этом случае эти состояния называются соответственно «логическая единица» и «логический ноль». Напряжение логической единицы на выходе микросхем находится в пределах от половины напряжения питания до его полной величины, а напряжение логического нуля у таких микросхем, как правило, 0…0,4В.

Алгоритм работы таких блоков управления осуществлялся за счет соответствующего соединения микросхем, и количество их было достаточно велико.

В настоящее время все блоки управления разрабатываются на основе микроконтроллеров разных типов. В этом случае алгоритм работы закладывается не схемным соединением отдельных элементов, а «прошитой» в микроконтроллере программой.

В связи с этим вместо нескольких десятков, а то и сотен микросхем блок управления содержит микроконтроллер и некоторое количество микросхем для взаимодействия с «внешним миром». Но, несмотря на такое усовершенствование, сигналы микроконтроллерного блока управления все те же цифровые, что и у старых микросхем.

Понятно, что мощности таких сигналов недостаточно, чтобы включить мощную лампу, двигатель, да и просто реле. В этой статье мы рассмотрим, какими способами можно подключить к микросхемам мощные нагрузки.

Самые простые способы это включение нагрузки через реле. На рисунке 1 реле включается при помощи транзистора VT1, для этого на его базу через резистор R1 от микросхемы подается логическая единица, транзистор открывается и включает реле, которое своими контактами (на рисунке не показаны) включает нагрузку.

Каскад, показанный на рисунке, 2 работает по-другому: чтобы включить реле на выходе микросхемы должен появиться логический 0, который закроет транзистор VT3. при этом транзистор VT4 откроется и включит реле. Кнопкой SB3 можно включить реле вручную.

На обоих рисунках можно заметить, что параллельно обмоткам реле включены диоды, причем по отношению к напряжению питания в обратном (непроводящем) направлении. Их назначение погасить ЭДС самоиндукции (может в десять и более раз превышать напряжение питания) при выключении реле и защитить элементы схемы.

Если же в схеме не одно, два реле, а намного больше, то для их подключения выпускается специализированная микросхема ULN2003A, допускающая подключение до семи реле. Такая схема включения показана на рисунке 3, а на рисунке 4 внешний вид современного малогабаритного реле.

На рисунке 5 показана схема подключения нагрузки с помощью оптронных тиристоров ТО125-12,5-6 (вместо которых ничего не меняя в схеме, можно подключить реле). На этой схеме следует обратить внимание на транзисторный ключ, выполненный на двух транзисторах VT3, VT4. Подобное усложнение вызвано тем, что некоторые микроконтроллеры, например AT89C51, AT89C2051 на время сброса при включении в течение нескольких миллисекунд удерживают на всех выводах уровень логической 1. Если нагрузку подключить по схеме приведенной на рисунке 1, то срабатывание нагрузки произойдет сразу же при включении питания, что может быть очень нежелательным явлением.

Для того, чтобы включить нагрузку (в данном случае светодиоды оптронных тиристоров V1,V2) на базу транзистора VT3 через резистор R12 следует подать логический 0, что приведет к открытию VT3 и VT4. Последний зажжет светодиоды оптотиристоров, которые откроются и включат сетевую нагрузку. Оптронные тиристоры обеспечивают гальваническую развязку от сети собственно схемы управления, что повышает электробезопасность и надежность схемы.

Несколько слов о тиристорах. Не вдаваясь в технические подробности и вольтамперные характеристики можно сказать, что тиристор — это простой диод, у них даже обозначения похожи. Вот только у тиристора имеется еще управляющий электрод. Если на него подать положительный относительно катода импульс, даже кратковременный, то тиристор откроется.

В открытом состоянии тиристор будет находиться до тех пор, пока через него течет ток в прямом направлении. Этот ток должен быть не менее некоторой величины, называемой током удержания. Иначе тиристор просто не включится. Выключить тиристор можно лишь разорвав цепь или подав напряжение обратной полярности. Поэтому, чтобы пропустить обе полуволны переменного напряжения используется встречно – параллельное включение двух тиристоров (см. рис. 5).

Чтобы не делать такого включения выпускаются симисторы или на буржуйском языке триаки. В них уже в одном корпусе изготовлены два тиристора, включенные встречно – параллельно. Управляющий электрод у них общий.

На рисунке 6 показаны внешний вид и цоколевка тиристоров, а на рисунке 7 то же для триаков.

На рисунке 8 показана схема подключения триака к микроконтроллеру (выходу микросхемы) при помощи специального маломощного оптотриака типа MOC3041.

Этот драйвер внутри себя содержит светодиод, подключенный к выводам 1 и 2 (на рисунке показан вид на микросхему сверху) и собственно оптотриак, который, будучи засвечен светодиодом, открывается (выводы 6 и 4) и, через резистор R1, соединяет управляющий электрод с анодом, за счет чего открывается мощный триак.

Читайте также  Устанавливаем в корпус многофункциональный циклический таймер

Резистор R2 предназначен для того, чтобы не произошло открытия триака в отсутствии управляющего сигнала в момент включения питания, а цепочка C1, R3 предназначена для подавления помех в момент переключений. Правда, MOC3041 особых помех не создает, поскольку имеет схему CROSS ZERO (переход напряжения через 0), и включения происходят в тот момент, когда сетевое напряжение только перешло через 0.

Все рассмотренные схемы имеют гальваническую развязку от питающей сети, что обеспечивает надежность работы и электробезопасность при значительной коммутируемой мощности.

Если же мощность незначительна и не требуется гальваническая развязка контроллера от сети, то возможно подключение тиристоров непосредственно к микроконтроллеру. Подобная схема приведена на рисунке 9.

Это схема елочной гирлянды произведенной, конечно, в Китае. Управляющие электроды тиристоров MCR 100-6 через резисторы подключены непосредственно к микроконтроллеру (находится на плате под каплей черного компаунда). Мощность управляющих сигналов настолько мала, что потребление тока на все четыре сразу, менее 1 миллиампера. При этом обратное напряжение до 800В и ток до 0,8А. Габаритные же размеры как у транзисторов КТ209.

Конечно, в одной короткой статье невозможно описать сразу все схемы, но, основные принципы их работы, кажется рассказать удалось. Сложностей особых тут нет, схемы все проверены на практике и, как правило, при ремонте или самостоятельном изготовлении огорчений не приносят.

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:

Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;

Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;

Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.

Starter box для первых экспериментов в подарок!

После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.

Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.

Как подключить к устройству нагрузку?

Управление электрическими цепями через USB

Автор: xkp, x-k-p@mail.ru
Опубликовано 01.09.2014
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса «Поздравь Кота по-человечески 2014»

Многие из нас наверно хотели бы управлять электрическими цепями через компьютер. А что? Неплохо было бы. Представь, звонит тебе друг, говорит: «Через 20 мин буду», тут проходит 20 минут, звонок в двери, но как не хочется вставать из-за компьютера, идти открывать двери и т.д. А представь иную ситуацию: звонок в двери, тут у тебя на мониторе выползает сообщение типа «У Вас гости», ты нажимаешь кнопку на компьютере – открывается магнитный замок на дверях, и ты орешь на весь дом: «Заходи», или тебе нужно включить электрочайник, свет или еще что то. В наше время это уже не фантастика, а вполне реалистично, только вот из-за плохой экономики далеко не каждый может позволить себе даже самый простейший «смарт-хаус», но если есть желание и прямые руки, то можно запросто сделать управление электрическими цепями через ПК.

В наше время достаточно много людей умеет программировать, они могут написать программку под компьютер, которая смогла бы управлять внешними устройствами, но как подключить тотже электрочайник к компьютеру? Ну, можно, к примеру, через LPT порт, только вот его уже редко где можно увидеть, что тогда остается? USB.

Давайте сделаем устройство, которое будет подключаться к USB и сможет управлять электроцепями (например, включать освещение), реагировать на замыкание кнопок (например, дверной звонок) и еще что-то.

Итак, из чего же мы будем его делать? Те, кто интересовался данным вопросом, наверно уже слышали о модуле Ke-USB24A.

Описание:

Модуль Ke-USB24A предназначен для сопряжения внешних цифровых и аналоговых устройств, датчиков и исполнительных механизмов с компьютером через шину USB. Определяется как дополнительный (виртуальный) COM порт. Модуль имеет 24 дискретные линии ввода/вывода (либо лог. 0 либо лог. 1) с возможностью настройки направления передачи данных (вход/выход) и встроенный 10-ти разрядный АЦП. Для управления модулем предусмотрен набор текстовых команд управления (KE – команды).

  • интерфейсный модуль для сопряжения по шине USB
  • определяется ОС Windows/Linux как виртуальный COM порт
  • не требует дополнительных схемных элементов, сразу готов к работе
  • 24 дискретные линии ввода/вывода с возможностью независимой настройки направления передачи данных (вход/выход) и сохранения настроек в энергонезависимой памяти модуля
  • встроенный 10-ти разрядный АЦП с гарантированной частотой дискретизации до 400 Гц.
  • динамический диапазон напряжения входного аналогового сигнала для АЦП от 0 до 5 В.
  • набор готовых текстовых команд управления высокого уровня (KE – команды)
  • удобный форм-фактор в виде модуля с DIP-колодкой и разъемом USB-B
  • возможность питания как от шины USB, так и от внешнего источника питания (режим выбирается джампером на плате)
  • возможность сохранения данных пользователя в энергонезависимой памяти модуля (до 32 байт)
  • возможность изменения строкового дескриптора USB устройства
  • каждый модуль имеет уникальный серийный номер доступный программно
  • поддержка ОС Windows 2000, 2003, XP 32/64 bit, Vista 32/64 bit и Windows 7 32/64 bit
  • поддержка OS Linux

Вроде бы это то, что нам нужно, НО… цена этого чуда начинается от $40. Наверно у вас уже пропало желание его покупать.

Давайте лучше сами соберем подобный модуль, только чтобы он был доступный даже голодному студенту!

Из обязательных критериев: дешевизна и легко доступность компонентов, простота сборки.

В качестве микроконтроллера возьмем широко распространенный ATmega8 (без индекса L в конце). Характеристики нашего модуля будут такие:

  • Подключение к ПК через USB.
  • определяется ОС Windows как USB HID устройство, не требующее драйверов.
  • Сразу готов к работе.
  • 7 линий вывода с логическим состоянием (активен / неактивен).
  • 2 линии вывода с плавным управлением напряжения от минимума до максимума. Только это не ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) а ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Но с помощью фильтра можно легко превратить в ЦАП.
  • 7 линий ввода с логическим состоянием (активен / неактивен).
  • 1 АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) с возможностью подключения внешнего источника опорного напряжения (ИОН).
  • Возможность заливать новую прошивку прямо через USB.

Почему я выбрал именно HID, а не виртуальный COM порт (CDC)? Во-первых, не нужны драйвера, во-вторых, HID в несколько раз меньше грузит микроконтроллер, чем CDC, так как данные запрашиваются не постоянно, а только тогда, когда этого требует хост (компьютер), и вообще, COM порт уже отмирает, сейчас аппаратных COM портов уже практически нет, остались только виртуальные. Логические линии вывода предназначены для управления только двумя состояниями – включенный или выключенный, при выключенном на выходе (ножке микроконтроллера) будет 0В при включенном – 5В, сюда вы можете подключить просто светодиод и управлять ним с ПК, а можете подключить реле (через транзистор) и управлять более мощной нагрузкой (освещение и т.д.). Линии вывода с регулировкой напряжения (ШИМ выход) позволяют плавно менять напряжение на ножке микроконтроллера от 0В до +5В с шагом 5/1024В. Линии ввода с логическим состоянием предназначены для мониторинга состояния кнопок, ключей и т.д. Когда линия замкнута на землю (корпус, GND), ее состояние = 0, если не замкнута – 1. АЦП позволяет измерять напряжение, сюда можно подключить потенциометр, аналоговый термодатчик, или еще что то, только напряжение, на этой ножке не должно превышать напряжение питания. В качестве источника опорного напряжения для АЦП можно использовать как внешний ИОН, так и напряжение питания модуля. Чтобы при перепрошивке не приходилось подключать микроконтроллер к программатору, сделаем возможность заливки прошивки прямо через USB, без использования внешнего программатора.

Как видите, схема достаточно проста, только коннекторы я прикрепил на схеме не по порядку, это потому что у ATmega8 ножки каждого порта, почему то расположены в разброс, зато на самой плате будет выглядеть красиво.

Ну и в результате получилось вот что:

Теперь разберемся, что куда будем подключать.

  1. USB – Порт. Думаю, его все знают.
  2. Индикатор питания.
  3. Кнопка сброса (перезагрузка).
  4. Логический вход 1.
  5. Логический вход 2.
  6. Логический вход 3.
  7. Логический вход 4.
  8. Логический вход 5.
  9. Логический вход 6.
  10. Логический вход 7.
  11. Вход АЦП.
  12. Вход для подключения ИОН.
  13. Этот контакт подключен к питанию устройства. Замкните перемычкой 12 и 13 контакты, чтобы напряжение ИОНа было равно напряжения питания.
  14. Логический выход 1.
  15. Логический выход 2.
  16. ШИМ выход 1.
  17. ШИМ выход 2.
  18. Логический выход 3.
  19. Логический выход 4.
  20. Логический выход 5.
  21. Логический выход 6.
  22. Логический выход 7.

Что такое GND?

Даже начинающий радиолюбитель знает, что такое GND, но некоторым людям это кажется страшным буквами. GND – это, так сказать, общий контакт. Его еще называют землей и массой. Провод обычно черного цвета (иногда белого или еще, какого нить). GND также подключается к металлическому корпусу устройства. На плате в большинстве случаев все свободное место заполняет GND в виде больших полигонов. На нашем модуле есть полигоны в виде сеточки, они так же соединяются с корпусом USB – разъема.

Программа для микроконтроллера.

Так как в статье я хочу рассказать, как управлять цепями через USB с помощью готового модуля, то я не буду объяснять, как работает программа микроконтроллера, снизу можете скачать исходники и посмотреть, там много комментов. Здесь я напишу просто об идентификаторах устройства.

062-Как подключить к микроконтроллеру нагрузку?

В 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, -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.

Читайте также  Бортовой компьютер для эбу bosch 7.9.7+ на msp430

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!

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 (10549 Загрузок)

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.

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 (17798 Загрузок)

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.

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 (19478 Загрузок)

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.

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.


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.

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 (6604 Загрузки)

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.

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 (14585 Загрузок)

062-Как подключить к микроконтроллеру нагрузку? : 229 комментариев

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)

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?

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.

@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?

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

@GetChiper
Евгений, огромное спасибо!

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

УПРАВЛЕНИЕ НАГРУЗКОЙ ЧЕРЕЗ USB

В наше время в каждой мастерской по ремонту электротехники, да, в прочем, и у каждого радиолюбителя рабочий день начинается с включения ПК, а уж потом и вспомогательного электрооборудования. В прочем с включения ПК рабочий день начинается не только у радиолюбителей, но и во многих пользователей сего «девайса», плотно вошедшего в нашу жизнь. А вот каждый день включать утром и выключать вечером, ну, предположим, принтер, активные колонки, настольную лампу да мало ли чего можно встретить у рядового пользователя, немножко надоедает. Исходя из условленных задач была поставлена цель создать коммутатор нагрузки, предназначенный для включения-выключения всех сопутствующих устройств. Соглашусь можно пойти по пути наименьшего сопротивления и поставить на всё обыкновенный выключатель, но, похоже, это не путь для радиолюбителя. Мы будем делать гораздо удобнее — встроим автомат в сетевой фильтр:

Так как устройство отслеживает факт включения-выключения устройства по принципу «ведомый-ведущий» самый простой способ – использовать USB порт. Обозначу сразу, при использовании USB порта устройство работает в ноутбуках и компьютерах с блоком питания, отключающем все источники питания. К примеру, в последних моделях блоков питания +5 вольт USB порта присутствует как дежурное даже при выключенном блоке. С ними устройство работать не будет, точнее будет, но постоянно включено. Здесь необходимо как источник сигнала использовать какой либо иной порт, и, соответственно, согласовывать сигнал источника и исполнительного механизма.

В данном устройстве исполнительным механизмом служит реле, с контактами, рассчитаными на 16 ампер и с катушкой на 5 вольт. Использование реле выполняет гальваническую развязку источника сигнала и сети 220 вольт.

После проведения ряда экспериментов было установлено, что при питании, согласно паспортных данных, +5 вольт реле потребляет 150 мА тока. Если использовать стационарный компьютер – нет никаких проблем, ибо +5 вольт USB порта идут непосредственно с блока питания и не сильно нагружают его. Если всё вышесказанное устраивает на этом — можно остановиться и сделать свой вариант по ниже приведенной схеме.

Схема модуля USB управления сетевой нагрузкой

Но если планируется использовать ноутбук, то как бы прогонять дополнительные 150 мА через через компьютер не желательно, в таком случае необходимо использовать дополнительный блок питания 5 вольт. В данном варианте был использован импульсный источник питания от зарядного устройства от мобильного телефона. Можно использовать любой нестабилизированный источник питания при условии, что он может обеспечить напряжение 5 вольт и ток порядка 250 мА с учетом запаса. Также можно использовать и другое напряжение, но в таком случае необходимо будет взять и реле с соответственным напряжением питания. Для согласования источника сигнала с реле и источником питания необходимо установить транзисторный ключ типа:

Транзистор выбран типа КТ815 с любой буквой и резистор 1 кОм, диод – КД522. При такой схеме включения ток потребления показал 4 мА, что не столь существенно для ноутбука. Светодиод LED1 и LED2 обозначают состояние цепи. По желанию вместе с резисторами их можно исключить из схемы.

Устройство управления 220 В собрано в свободном месте корпуса розетки — сетевого фильтра. Файл схемы в сплане находится здесь .

Необходимо обратить внимание что розеточный бокс удлиненный. Можно взять бокс с кнопкой выключения, которую потом удалить, отверстие аккуратно зашить, и в образовавшемся пространстве установить начинку. Эксперименты проводились с нетбуком Lenovo S10-3 и дали положительный результат. С уважением, AZhila .

Практические схемы включения датчиков

Данная статья – вторая часть статьи про разновидности и принципы работы датчиков. Кто не читал – рекомендую, там очень много тонкостей разложено по полочкам.

Здесь же я отдельно вынес такой важный практический вопрос, как подключение индуктивных датчиков с транзисторным выходом, которые в современном промышленном оборудовании – повсеместно. Кроме того, приведены реальные инструкции к датчикам и ссылки на примеры.

Принцип активации (работы) датчиков при этом может быть любым – индуктивные (приближения), оптические (фотоэлектрические), и т.д.

В первой части были описаны возможные варианты выходов датчиков. По подключению датчиков с контактами (релейный выход) проблем возникнуть не должно. А по транзисторным и с подключением к контроллеру не всё так просто.

Рекомендую тем, кто интересуется, также мою статью про параллельное подключение транзисторных выходов.

Схемы подключения датчиков PNP и NPN

Отличие PNP и NPN датчиков в том, что они коммутируют разные полюсы источника питания. PNP (от слова “Positive”) коммутирует положительный выход источника питания, NPN – отрицательный.

Ниже для примера даны схемы подключения датчиков с транзисторным выходом. Нагрузка – как правило, это вход контроллера.

PNP выход датчика. Нагрузка (Load) постоянно подключена к “минусу” (0V), подача дискретной “1” (+V) коммутируется транзистором. НО или НЗ датчик – зависит от схемы управления (Main circuit)

NPN выход датчика. Нагрузка (Load) постоянно подключена к “плюсу” (+V). Здесь активный уровень (дискретный “1”) на выходе датчика – низкий (0V), при этом на нагрузку подается питание через открывшийся транзистор.

Призываю всех не путаться, работа этих схем будет подробно расписана далее.

На схемах ниже показано в принципе то же самое. Акцент уделён на отличия в схемах PNP и NPN выходов.

Схемы подключения NPN и PNP выходов датчиков

На левом рисунке – датчик с выходным транзистором NPN. Коммутируется общий провод, который в данном случае – отрицательный провод источника питания.

Справа – случай с транзистором PNP на выходе. Этот случай – наиболее частый, так как в современной электронике принято отрицательный провод источника питания делать общим, а входы контроллеров и других регистрирующих устройств активировать положительным потенциалом.

Как проверить индуктивный датчик?

Для этого нужно подать на него питание, то есть подключить его в схему. Затем – активировать (инициировать) его. При активации будет загораться индикатор. Но индикация не гарантирует правильной работы индуктивного датчика. Нужно подключить нагрузку, и измерить напряжение на ней, чтобы быть уверенным на 100%.

Замена датчиков

  • PNP NO
  • PNP NC
  • NPN NO
  • NPN NC

Все эти типы датчиков можно заменить друг на друга, т.е. они взаимозаменяемы.

Это реализуется такими способами:

  • Переделка устройства инициации – механически меняется конструкция.
  • Изменение имеющейся схемы включения датчика.
  • Переключение типа выхода датчика (если имеются такие переключатели на корпусе датчика).
  • Перепрограммирование программы – изменение активного уровня данного входа, изменение алгоритма программы.

Ниже приведён пример, как можно заменить датчик PNP на NPN, изменив схему подключения:

PNP-NPN схемы взаимозаменяемости. Слева – исходная схема, справа – переделанная.

Понять работу этих схем поможет осознание того факта, что транзистор – это ключевой элемент, который можно представить обычными контактами реле (примеры – ниже, в обозначениях).

Итак, схема слева. Предположим, что тип датчика – НО. Тогда (независимо от типа транзистора на выходе), когда датчик не активен, его выходные “контакты” разомкнуты, и ток через них не протекает. Когда датчик активен, контакты замкнуты, со всеми вытекающими последствиями. Точнее, с протекающим током через эти контакты)). Протекающий ток создает падение напряжения на нагрузке.

Внутренняя нагрузка показана пунктиром неспроста. Этот резистор существует, но его наличие не гарантирует стабильную работу датчика, датчик должен быть подключен к входу контроллера или другой нагрузке. Сопротивление этого входа и является основной нагрузкой.

Если внутренней нагрузки в датчике нет, и коллектор “висит в воздухе”, то это называют “схема с открытым коллектором”. Эта схема работает ТОЛЬКО с подключенной нагрузкой.

Так вот, в схеме с PNP выходом при активации напряжение (+V) через открытый транзистор поступает на вход контроллера, и он активизируется. Как того же добиться с выходом NPN?

Бывают ситуации, когда нужного датчика нет под рукой, а станок должен работать “прям щас”.

Смотрим на изменения в схеме справа. Прежде всего, обеспечен режим работы выходного транзистора датчика. Для этого в схему добавлен дополнительный резистор, его сопротивление обычно порядка 5,1 – 10 кОм. Теперь, когда датчик не активен, через дополнительный резистор напряжение (+V) поступает на вход контроллера, и вход контроллера активизируется. Когда датчик активен – на входе контроллера дискретный “0”, поскольку вход контроллера шунтируется открытым NPN транзистором, и почти весь ток дополнительного резистора проходит через этот транзистор.

В данном случае происходит перефазировка работы датчика. Зато датчик работает в режиме, и контроллер получает информацию. В большинстве случаев этого достаточно. Например, в режиме подсчета импульсов – тахометр, или количество заготовок.

Да, не совсем то, что мы хотели, и схемы взаимозаменяемости npn и pnp датчиков не всегда приемлемы.

Как добиться полного функционала? Способ 1 – механически сдвинуть либо переделать металлическую пластинку (активатор). Либо световой промежуток, если речь идёт об оптическом датчике. Способ 2 – перепрограммировать вход контроллера чтобы дискретный “0” был активным состоянием контроллера, а “1” – пассивным. Если под рукой есть ноутбук, то второй способ и быстрее, и проще.

Условное обозначение датчика приближения

На принципиальных схемах индуктивные датчики (датчики приближения) обозначают по разному. Но главное – присутствует квадрат, повёрнутый на 45° и две вертикальные линии в нём. Как на схемах, изображённых ниже.

НО НЗ датчики. Принципиальные схемы.

На верхней схеме – нормально открытый (НО) контакт (условно обозначен PNP транзистор). Вторая схема – нормально закрытый, и третья схема – оба контакта в одном корпусе.

Цветовая маркировка выводов датчиков

Существует стандартная система маркировки датчиков. Все производители в настоящее время придерживаются её.

Однако, нелишне перед монтажом убедиться в правильности подключения, обратившись к руководству (инструкции) по подключению. Кроме того, как правило, цвета проводов указаны на самом датчике, если позволяет его размер.

Вот эта маркировка.

  • Синий (Blue) – Минус питания
  • Коричневый (Brown) – Плюс
  • Чёрный (Black) – Выход
  • Белый (White) – второй выход, или вход управления, надо смотреть инструкцию.

Система обозначений индуктивных датчиков

Тип датчика обозначается цифро-буквенным кодом, в котором зашифрованы основные параметры датчика. Ниже приведена система маркировки популярных датчиков Autonics.

Система обозначений датчиков Autonics

Скачать инструкции и руководства на некоторые типы индуктивных датчиков:

• Autonics_proximity_sensor / Каталог датчиков приближения Autonics, pdf, 1.73 MB, скачан: 1668 раз./

• Omron_E2A / Каталог датчиков приближения Omron, pdf, 1.14 MB, скачан: 2183 раз./

• ТЕКО_Таблица взаимозаменяемости выключателей зарубежных производителей / Чем можно заменить датчики ТЕКО, pdf, 179.92 kB, скачан: 1674 раз./

• Turck_InduktivSens / Датчики фирмы Turck, pdf, 4.13 MB, скачан: 2214 раз./

• pnp npn / Схема включения датчиков по схемам PNP и NPN в программе Splan/ Исходный файл., rar, 2.18 kB, скачан: 3396 раз./

Скачать книгу про датчики

Реальные датчики

Датчики купить проблематично, товар специфический, и в магазинах электрики такие не продают. Как вариант, их можно купить в Китае, на АлиЭкспрессе.

А вот какие оптические датчики я встречаю в своей работе.

Всем спасибо за внимание, жду вопросов по подключению датчиков в комментариях!