Электромагнитное реле #
Разобрано в отдельном уроке.
Оптопара #
Оптопара выполняет две функции: коммутирует нагрузку, пусть и небольшую, и развязывает её от МК. Оптопары можно использовать для имитации нажатия кнопок у других внешних устройств, то есть замыкать чисто логический сигнал. Также можно использовать для разрывания питания различных датчиков и модулей в устройстве вместо транзистора.
Оптопара состоит из двух частей: светодиод, который мы включаем при помощи МК, и выходная часть, которая может быть разной (транзистор, симистор и проч.), таким образом сигнал с МК отделяется от нагрузки через луч света, что очень важно при коммутации высоковольтных или каких-то чувствительных цепей.
Для управления внешними устройствами надо брать оптопары с транзисторным выходом, например распространённую PC814 и её аналоги (FOD814, LTV814), при желании можно выковырять почти из любого блока питания. Данная оптопара позволяет коммутировать нагрузку с напряжением до 60 Вольт и током до 50 мА. Покажу вырезку из даташита с этими параметрами, у остальных оптопар параметры будут называться точно так же:
Подключается оптопара следующим способом: светодиодом мы управляем с МК через резистор, а выход подключаем в разрыв нагрузки, соблюдая полярность. Что касается светодиода на управляющем входе оптопары - для него нужен резистор, как считать резистор для светодиода было рассказано в уроке про светодиоды. В большинстве случаев достаточно поставить резистор на 220 Ом, как и для любых светодиодов. Если ток светодиода будет меньше указанного, соответственно уменьшится максимальный ток выхода, что для этой оптопары уже критично (светодиод хочет аж 50 мА). Оптопара не предусмотрена для управления большой нагрузкой, обычно это коммутация других логических цепей, поэтому о токе можно не думать.
Подключение нагрузки (условный нагрузочный резистор):
Для управления "кнопкой" другого устройства (фотоаппарат, кофемашина) достаточно подключить оптопару параллельно кнопке. Во избежание замыкания оптопары на кнопку, что сожгёт оптопару, желательно поставить защитный резистор с номиналом 200-1000 Ом. Тут будет две схемы, по сути одинаковые. Перед подключением нужно проверить мультиметром, где у кнопки "плюс", а где "минус", так как выход с оптопары у нас полярный:
Существует также интересная оптопара TLP172 с мосфетным выходом, причём неполярным - может коммутировать нагрузку в любую сторону! Управляет напряжением до 60 Вольт при токе до 400 мА - уже вполне серьёзная игрушка.
MOSFET-транзистор #
Самый компактный способ управлять мощной нагрузкой постоянного тока - транзистор. Транзисторы бывают биполярные и полевые (MOSFET, полевик, ключ). Для мощной нагрузки лучше подходят полевые, поэтому их и рассмотрим. Схема типовая и выглядит вот так для N-канального мосфета:
Или вот так, конкретно для корпуса to220. Также на этой схеме плата Ардуино питается от внешнего источника в пин Vin:
Полевики бывают и в других корпусах, для подключения по первой принципиальной схеме нужно загуглить распиновку (pinout) на свой конкретный транзистор. Вот основные корпуса:
Резисторы на схеме:
- Резистор на 100 Ом (100-500 Ом, мощность любая) выполняет защитную функцию: затвор полевика представляет собой конденсатор, в момент открытия затвора конденсатор начнёт заряжаться и в цепи пойдёт большой ток - практически короткое замыкание, что повредит пин МК. Резистор просто ограничивает ток в цепи пин-затвор и спасает пин от скачков тока. В целом можно его не ставить, но когда-нибудь оно обязательно сломается
- Резистор на 10 кОм (5-50 кОм, мощность любая) подтягивает затвор к GND. Если случится так, что МК выключен или сигнальный провод отвалился от него - на затвор будут приходить внешние наводки и он может случайно открыться. Если в этот момент будет подключен источник питания - нагрузка тоже включится! Восстание машин начнётся именно с этого момента. Подтягивающий к GND резистор позволяет "прижать" затвор, чтобы он не открылся сам по себе
Я привёл схему, в которой используется N-канальный полевой транзистор, который управляет линией GND. Существуют также P-канальные мосфеты, они управляют линией питания. Такие транзисторы в целом дороже и имеют более высокий порог напряжения открытия, т.е. для их работы придётся ставить ещё один транзистор и с его помощью подавать более высокий сигнал от внешнего источника на затвор P-канального полевика. Поэтому в 99% случаев просто используют более удобные N-канальные ключи.
Как выбрать транзистор для своей задачи? Первым делом смотрим на напряжение открытия транзистора, 100% подойдёт транзистор с пометкой Logic Level в описании или даташите: такие мосфеты точно будут работать на полную катушку от пина МК. Ток и напряжение должны быть взяты для нагрузки с запасом. Есть ещё параметр сопротивление открытого канала, на этом сопротивлении будет падать напряжение и превращаться в тепло. Для мощных нагрузок нужно рассматривать полевики с низким сопротивлением канала, чтобы сильно не грелись.
Приведу свой список мосфетов в двух основных корпусах: выводной to220 и dpack для поверхностного монтажа, в нём "Ток при 3V" и "Ток при 5V" означает максимальный ток через транзистор (на нагрузку) в Амперах при управлении логическим сигналом 3 и 5 Вольт. Максимальное напряжение для нагрузки смотрите у конкретного транзистора, но у всех оно выше 24V. R - сопротивление открытого канала. Полевики отсортированы по увеличению цены в российских магазинах:
Корпус to220
| Маркировка | R, мОм | Ток при 3V | Ток при 5V |
|---|---|---|---|
| IRLZ24NPBF | 60 | 4 | 20 |
| IRF3704ZPBF | 7.9 | 10 | >100 |
| IRLB8743PBF | 3.2 | 20 | >100 |
| IRL2203NPBF | 7 | 30 | >100 |
| IRLB8748PBF | 4.8 | 10 | >100 |
| IRL8113PBF | 6 | 40 | >100 |
| IRL3803PBF | 6 | 20 | >100 |
| IRLB3813PBF | 1.95 | 20 | >100 |
| IRL3502PBF | 7 | >100 | >100 |
| IRL2505PBF | 8 | 20 | >100 |
| IRF3711PBF | 6 | 80 | >100 |
| IRL3713PBF | 3 | 20 | >100 |
| IRF3709ZPBF | 6.3 | 40 | >100 |
| AUIRL3705N | 6.5 | 20 | >100 |
| IRLB3034PBF | 1.7 | >100 | >100 |
| IRF3711ZPBF | 6 | 20 | >100 |
Корпус dpak
| Маркировка | R, мОм | Ток при 3V | Ток при 5V |
|---|---|---|---|
| STD17NF03LT4 | 50 | 5 | 40 |
| IRLR024NPBF | 65 | 4 | 20 |
| IRLR8726PBF | 6 | 10 | 110 |
| IRFR1205PBF | 27 | — | 10 |
| IRFR4105PBF | 45 | — | 10 |
| IRLR7807ZPBF | 12 | 10 | 100 |
| IRFR024NPBF | 75 | — | 8 |
| IRLR7821TRPBF | 10 | 11 | 100 |
| STD60N3LH5 | 8 | 30 | 160 |
| IRLR3103TRPBF | 19 | 11 | 100 |
| IRLR8113TRPBF | 6 | 40 | 110 |
| IRLR8256PBF | 6 | 10 | 110 |
| IRLR2905ZPBF | 13 | — | 100 |
| IRLR2905PBF | 27 | 20 | 90 |
Для слаботочных цепей мне нравится использовать полевик 2n7000 (Aliexpress) - тянет до 400 мА. Корпус - компактный выводной to-92.
Также у друзей-китайцев есть удобные готовые модули (Aliexpress) с мосфетами и всей необходимой обвязкой, встречаются даже с оптической развязкой:
Индуктивная нагрузка #
При управлении индуктивной нагрузкой (клапан, мотор, электромагнит, соленоид) обязательно нужен диод!
Твердотельное реле (SSR DC) #
Более простой вариант - твердотельное реле (Solid State Relay, SSR) для постоянного тока - DC, найти можно на том же Aliexpress по запросу SSR DC. Внимательно смотрим на маркировку: под выходными клеммами должно быть написано VDC, т.е. постоянное напряжение. Твердотельное реле имеет стандартный корпус для моделей постоянного и переменного тока, поэтому нужно читать что написано и не перепутать. Также в маркировке после слова SSR обычно указан ток в Амперах, т.е. SSR-25 это реле на 25 Ампер. Максимальное напряжение указано под выходными клеммами.
Твердотельное реле подключается напрямую к Arduino, пин - к GND, + к любому цифровому пину. Выход реле ставится в разрыв цепи питания нагрузки, как выключатель. Важно не перепутать плюс и минус, потому что внутри реле представляет собой полевой транзистор на радиаторе:
Защита от помех #
Раздельное питание #
Один из лучших способов защититься от помех по питанию - питать силовую и логическую части от отдельных источников питания: хороший малошумящий источник питания на микроконтроллер и модули/сенсоры, и отдельный на силовую часть. В автономных устройствах иногда ставят отдельный аккумулятор на питание логики и отдельный мощный - на силовую часть, потому что стабильность и надёжность работы очень важна.
Искрогасящие цепи #
При размыкании контактов в цепи питания индуктивной нагрузки происходит так называемый индуктивный выброс, который резко подбрасывает напряжение в цепи вплоть до того, что между контактами реле или выключателя может проскочить электрическая дуга (искра). В дуге нет ничего хорошего - она выжигает частички металла контактов, из-за чего они изнашиваются и со временем приходят в негодность. Также такой скачок в цепи провоцирует электромагнитный выброс, который может навести в электронном устройстве сильные помехи и привести к сбоям или даже поломке! Самое опасное, что индуктивной нагрузкой может являться сам провод: вы наверняка видели, как искрит обычный выключатель света в комнате. Лампочка - не индуктивная нагрузка, но идущий к ней провод имеет индуктивность.
Для защиты от выбросов ЭДС самоиндукции в цепи постоянного тока используют обыкновенный диод, установленный встречно-параллельно нагрузке и максимально близко к ней. Диод просто закоротит на себя выброс:
Где VD - защитный диод, U1 - выключатель (транзистор, реле), а R и L схематично олицетворяют индуктивную нагрузку. Диод нужно ОБЯЗАТЕЛЬНО ставить при управлении индуктивной нагрузкой (электромотор, соленоид, клапан, электромагнит, катушка реле) при помощи транзистора, то есть вот так:
При управлении ШИМ сигналом рекомендуется ставить быстродействующие диоды (например серии 1N49xx) или диоды Шоттки (например серии 1N58xx), максимальный ток диода должен быть больше или равен максимальному току нагрузки.
Фильтры #
Если силовая часть питается от одного источника с МК, то помехи по питанию неизбежны. Простейший способ защитить МК от таких помех - конденсаторы по питанию как можно ближе к МК: электролит 6.3V 470 uF (мкФ) и керамический на 0.1-1 мкФ, они сгладят короткие просадки напряжения. Электролит с низким ESR справится с такой задачей максимально качественно.
Ещё лучше с фильтрацией помех справится LC фильтр, состоящий из индуктивности и конденсатора. Индуктивность нужно брать с номиналом в районе 100-300 мкГн и с током насыщения больше, чем ток нагрузки после фильтра. Конденсатор - электролит с ёмкостью 100-1000 uF в зависимости опять же от тока потребления нагрузки после фильтра. Подключается вот так, чем ближе к нагрузке - тем лучше:
Подробнее о расчёте фильтров можно почитать здесь.