Управление нагрузкой с Arduino


Как вы уже знаете из урока о питании, Ардуино (микроконтроллер) является логическим устройством, то есть по своей сути может только раздавать сигналы другим устройствам. Это касается в первую очередь управления нагрузкой: от пина МК можно запитать максимум светодиод или простенький модуль/микросхему с током потребления не более 20 мА (максимум 40 мА, но на таком токе напряжение просядет и стабильная работа не гарантируется). Если вам захочется управлять светодиодной лентой, электромагнитным клапаном, моторчиком или сетевым обогревателем – понадобится промежуточное устройство, такое как реле или транзистор. Давайте обо всем по порядку.

“Универсальное” электромагнитное реле


Электромагнитное реле является по сути управляемым механическим выключателем: подали на него ток – оно замкнуло контакты, сняли ток – разомкнуло. Контакты являются именно контактами: металлическими “пятаками”, которые прижимаются друг к другу. Именно поэтому такое реле может управлять как нагрузкой постоянного, так и переменного тока. 

Сама катушка реле является неслабой индуктивной нагрузкой, что приводит к дополнительным проблемам (читай ниже), поэтому для управления “голым” реле нам понадобится дополнительная силовая и защитная цепь.

После изучения данного урока вы сами сможете её составить (транзистор и диод), а сейчас мы поговорим о модулях реле: готовая плата, на которой стоит само реле, а также цепи коммутации, защиты и даже оптическая развязка. Такие модули бывают “семейными” – с несколькими реле на борту. Спасибо китайцам за это! Купить можно на Aliexpress, также смотрите варианты у меня в каталоге ссылок на Али.

Такое реле сделано специально для удобного управления с микроконтроллера: пины питания VCC (Vin, 5V) и GND подключаются к питанию, а далее реле управляется логическим сигналом, поданным на пин IN. С другой стороны стоит клеммник для подключения проводов, обычно контакты подписаны как NO, NC и COM. Это общепринятые названия пинов кнопок, переключателей и реле:

  • COM – Common, общий. Реле является переключающим, и пин COM является общим.
  • NO – Normal Open, нормально открытый. При неактивном реле данный контакт не соединён с COM. При активации реле он замыкается с COM.
  • NC – Normal Closed, нормально закрытый. При неактивном реле данный контакт соединён с COM. При активации реле он размыкается с COM.

Подключение нагрузки через реле думаю для всех является очевидным:

Важный момент: катушка реле в активном режиме потребляет около 60 мА, то есть подключать больше одного модуля реле при питании платы от USB не рекомендуется – уже появятся просадки по напряжению и помехи:

Такие модули реле бывают двух типов: низкого и высокого уровня. Реле низкого уровня переключается при наличии низкого сигнала (GND) на управляющем пине digitalWrite(pin, LOW). Реле высокого уровня соответственно срабатывает от высокого уровня digitalWrite(pin, HIGH). Какого типа вам досталось реле можно определить экспериментально, а можно прочитать на странице товара или на самой плате. Также существуют модули с выбором уровня:

На плате, справа от надписи High/Low trigger есть перемычка, при помощи которой происходит переключение уровня.

Электромагнитное реле имеет ряд недостатков перед остальными рассмотренными ниже способами, вы должны их знать и учитывать:

  • Ограниченное количество переключений: механический контакт изнашивается, особенно при большой и/или индуктивной нагрузке.
  • Противно щёлкает!
  • При большой нагрузке реле может “залипнуть”, поэтому для больших токов нужно использовать более мощные реле, которые придётся включать при помощи… маленьких реле. Или транзисторов.
  • Необходимы дополнительные цепи для управления реле, так как катушка является индуктивной нагрузкой, и нагрузкой самой по себе слишком большой для пина МК (решается использованием китайского модуля реле).
  • Очень большие наводки на всю линию питания при коммутации индуктивной нагрузки.
  • Относительно долгое переключение (невозможно поставить детектор нуля, читай ниже), при управлении индуктивными цепями переменного тока можно попасть на большой индуктивный выброс, необходимо ставить искрогасящие цепи.

При помощи реле можно плавно управлять сильно инерционной нагрузкой, такой как большой обогреватель. Для этого нужно использовать сверхнизкочастотный ШИМ сигнал, у меня есть готовая библиотека. Не забываем, что реле противно щёлкает и изнашивается, поэтому для таких целей лучше подходит твердотельное реле, о котором мы поговорим ниже.

Постоянный ток

Транзистор


Самый компактный способ управлять нагрузкой постоянного тока – транзистор. Транзисторы бывают биполярные и полевые (MOSFET, полевик, ключ). Биполярные уже морально и физически устарели, имеют много характеристик и требуют дополнительного изучения темы, поэтому мы рассмотрим только полевые транзисторы. Схема типовая и выглядит вот так: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. Но в основном там всё обстоит вот так:Что за резисторы? Резистор на 100 Ом (можно ставить в диапазоне 100-500 Ом) выполняет защитную функцию: затвор полевика представляет собой конденсатор, в момент открытия затвора конденсатор начнёт заряжаться и в цепи пойдёт большой ток (практически короткое замыкание), который может повредить пин Ардуино. 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 (можно ставить в диапазоне 5-50 кОм) выполняет подтягивающую функцию для затвора. Если случится так, что плата Ардуино выключена или сигнальный провод от неё отвалился – на затвор будут приходить случайные 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. Имеет смысл ставить его прямо на корпус транзистора, если монтаж производится навесом: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, реже встречаются и имеют высокий порог напряжения открытия, т.е. для их работы придётся ставить ещё один транзистор (биполярный) 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 (как читать график в даташите – см. видео урок ниже), 100% подойдёт транзистор с пометкой Logic Level в описании или даташите: такие мосфеты точно будут работать на полную катушку от пина МК. Само собой ток и напряжение должны соответствовать (взяты с запасом) для нагрузки, которую будет коммутировать мосфет. 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 в миллиомах (10^-3 Ом). Также полевики отсортированы по увеличению цены в российских магазинах =)

Маркировка R, мОм Ток при 3V Ток при 5V
IRF3704ZPBF 7.9 10 120
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

Маркировка R, мОм Ток при 3V Ток при 5V
STD17NF03LT4 50 5 40
IRLR024NPBF 65 4 20
IRLR024NPBF 40 5 40
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 (купить мешок) – тянет до 400 мА. Корпус – компактный выводной to-92.

Также у друзей-китайцев есть удобные готовые модули с мосфетами и всей необходимой обвязкой:

Ну и самый важный момент: на полевой транзистор можно подавать ШИМ сигнал для “плавного” управления нагрузкой: плавно менять скорость вращения мотора, яркость светодиодной ленты, мощность обогревателя и прочее прочее!

Внимание! При управлении индуктивной нагрузкой (клапан, мотор, электромагнит, соленоид) обязательно нужен диод! См. последнюю главу.

Твердотельное реле 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 =)

Внимание! При управлении индуктивной нагрузкой (клапан, мотор, электромагнит, соленоид) обязательно нужен диод! См. последнюю главу.

Переменный ток

Симистор


Симистор – радиоэлемент, похожий на транзистор, но может работать на переменном токе. Высокое напряжение – штука опасная, поэтому для управления симистором используется оптопара с симисторным выходом (например MOC302x). Простейшая схема подключения выглядит вот так:Здесь стоят резисторы: 220 Ом – для ограничения тока на светодиод оптопары (можно ставить с номиналом вплоть до 1 кОм). И резистор между оптопарой и симистором: 220-470 Ом с мощностью 1-2 Вт (будет греться). Распиновка компонентов:У китайцев есть готовые модули с симистором и всей обвязкой. Кстати да, симистор греется под нагрузкой! Наличие радиатора обязательно, начиная с 200 Ватт нагрузки.Для плавного управления нагрузкой переменного тока задача сильно усложняется: нужно ловить момент переключения напряжения, засекать время и выключать симистор, отсекая часть синусоиды. Схема для такой поделки может выглядеть вот так:Также готовый модуль можно купить на Али. Выглядит он вот так и имеет пины питания, пин контроля симистора и вывод детектора нуля. Как со всем этим работать – смотрите видос:

Твердотельное реле AC


Твердотельное реле для переменного тока (SSR AC) выглядит и подключается точно так же, как твердотельное для постоянного. Единственное отличие в том, что нет полярности:

По сравнению с электромагнитным реле работает бесшумно, а также имеет неограниченный ресурс переключений. Но есть и минус: твердотельные реле основаны на полупроводниковых симисторах и греются под нагрузкой. Нижняя часть корпуса представляет собой толстую алюминиевую пластину. При большой нагрузке (несколько киловатт) желательно брать SSR с хорошим запасом по току и/или крепить на радиатор. Вот такие дела.

Также существуют твердотелки чуть другого формата в виде Ардуино-модулей:

Такие модули бывают низкого и высокого уровня (High/Low level trigger), подключаются точно так же как модули реле: к питанию GND-VCC и отдельно пин на управление. Сами SSRки здесь стоят маленькие и слабые: всего 2А (в районе 500 Ватт). Но для управления например освещением этого более чем достаточно.

При помощи реле можно плавно управлять сильно инерционной нагрузкой, такой как большой обогреватель. Для этого нужно использовать сверхнизкочастотный ШИМ сигнал, у меня есть готовая библиотека.

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 постоянного тока


Для защиты от выбросов в цепи постоянного тока используют обыкновенный диод, установленный встречно-параллельно нагрузке и максимально близко к ней. Диод просто закоротит на себя выброс, и все дела:

Где VD – защитный диод, U1 – выключатель, а R и L 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 быстрые диоды (диоды Шоттки) на соответствующее напряжение и ток.

Для переменного тока


В цепях переменного тока есть два важных момента: сама искрогасящая (шунтирующая, или снабберная) цепь и момент выключения нагрузки. Напряжение в сети является синусоидой, которая 100 раз в секунду пересекает значение 0. Если выключить нагрузку в тот момент, когда напряжение в сети равно нулю – это сильно уменьшит выброс. Для этих целей проще всего использовать твердотельные реле (SSR) с детектором нуля (Zero-Crossing Detector). Такие реле сами отключат нагрузку в нужный момент.

Что касается искрогасящих цепей – теорию по расчёту можно посмотреть вот в этой статье, а для большинства применений подойдёт резистор 39 Ом 0.5 Вт и конденсатор 0.1 мкФ 400V, установленные вот по такой схеме:

Важные страницы