Питание платы


Данный раздел имеет довольно таки большую значимость, если делать что то не так, как написано здесь, можно получить сгоревшую плату или глюки, причины которых не так очевидны и отследить их очень трудно.

Перейдем к питанию платы: есть три способа питать Ардуино и вообще Ардуино-проект в целом, у каждого есть свои плюсы/минусы и особенности:

  • Бортовой USB порт
  • “Сырой” вход на микроконтроллер 5V
  • Стабилизированный вход Vin

Что касается земли (пины GND) то они все связаны между собой и просто продублированы на плате, это нужно запомнить. Пины 3.3V, 5V и GND являются источником питания для датчиков и модулей, но давайте рассмотрим особенности.

Питание от USB


Питание от USB – самый плохой способ питания ардуино-проекта. Почему? По линии питания +5V от USB стоит диод, выполняющий защитную функцию: он защищает порт USB компьютера от высокого потребления тока компонентами ардуино-проекта или от короткого замыкания (КЗ), которое может произойти по случайности/криворукости любителей ковырять макетные платы. КЗ продолжительностью менее секунды не успеет сильно навредить диоду и всё может обойтись, но продолжительное замыкание превращает диод в плавкий предохранитель, выпускающий облако синего дыма и спасающий порт компьютера от такой же участи.

К слову, ардуинки от производителя Robotdyn имеют самовосстанавливающийся предохранитель вместо такого костыля с диодом-смертником.

Слаботочный диод имеет ещё одну неприятную особенность: на нём падает напряжение, причем чем больше ток потребления схемы, тем сильнее падает напряжение питания. Пример: голая ардуина без всего потребляет около 20 мА, и от 5 Вольт на юсб после диода нам остаётся примерно 4.7 Вольт. Чем это плохо: опорное напряжение при использовании АЦП крайне нестабильно, не знаешь, что измеряешь (да, есть способ измерения опорного напряжения, но делать это нужно вручную). Некоторые железки чувствительны к напряжению питания, например LCD дисплеи: при питании от 5V они яркие и чёткие, при 4.7 вольтах (питание от юсб) они уже заметно теряют яркость. Если подвигать сервоприводом или включить реле – на диоде упадет ещё больше и дисплей практически погаснет. При коротких мощных нагрузках (выше 500-600ма) микроконтроллер перезапустится, так как напряжение упадет ниже плинтуса. Есть вполне очевидный, но небезопасный вариант: заменить диод перемычкой. Тогда с USB 2.0 мы можем смело снять 500 мА без просадок, а с USB 3.0 – в разы больше. Но если вдруг случится КЗ – попрощайтесь с USB портом ПК, если у него нет своей защиты.

Питание в Vin


Питание в пин VinGND) – более универсальный способ питания ардуино-проекта, этот пин заводит питание на бортовой стабилизатор напряжения ардуино, на китайских платах обычно стоит AMS1117-5.0. Это линейный стабилизатор, что имеет свои плюсы и минусы. Он позволяет питать ардуино и ардуино-проект от напряжения 7-12 Вольт (это рекомендуемый диапазон, так то питать можно от 5 до 20 Вольт). Стабилизатор устроен так, что он выдает хорошее ровное напряжение с минимальными пульсациями, но всё лишнее напряжение превращает в тепло. Если питать плату и один миниатюрный сервопривод от 12 Вольт, то при активной работе привода стабилизатор нагреется до 70 градусов, что уже ощутимо горячо. По некоторым расчетам из даташита можем запомнить некоторые цифры:

  • При напряжении 7 Вольт (таких блоков питания я не встречал) в Vin можно снять с пина 5V до 2A, больше – перегрев. Отлично сработают два литиевых аккумулятора
  • При 12 Вольтах на Vin можно снять с пина 5V не более 500мА без риска перегрева стабилизатора.

Питание в пин Vin возможно только в том случае, если в Ардуино проекте (имеется в виду плата Ардуино и железки, подключенные к 5V и GND) не используются мощные потребители тока, такие как сервоприводы, адресные светодиодные ленты, моторчики и прочее. Что можно: датчики, сенсоры, дисплеи, модули реле (не более 3 одновременно в активном состоянии), одиночные светодиоды, органы управления. Для проектов с мощной 5 Вольтовой нагрузкой для нас есть только третий способ.

Питание в 5V


Питание в пин 5VGND) – самый лучший вариант питать плату и ардуино-проект в целом, но нужно быть аккуратным: пин идёт напрямую на микроконтроллер, и на него действуют некоторые ограничения:

  • Максимальное напряжение питания согласно даташиту на микроконтроллер – 5.5V. Всё что выше – с большой вероятностью выведет МК из строя;
  • Минимальное напряжение зависит от частоты, на которой работает МК. Вот строчка из даташита: 0 – 4 MHz @ 1.8 – 5.5V, 0 – 10 MHz @ 2.7 – 5.5V, 0 – 20 MHz @ 4.5 – 5.5V. Что это значит: большинство Arduino-плат имеют источник тактирования на 16 MHz, то есть Arduino будет стабильно работать от напряжения ~4 Вольта (20 МГц – 4.5V, 16 МГц – около 4V). Есть версии Arduino на 8 МГц, они будут спокойно работать от напряжения 2.5V.
Важно: напряжение питания в пин 5V не должно превышать 5.5V. Минимальное напряжение: 4V для плат на 16 МГц (на моей практике работало стабильно от 3.5V), 2.5V для плат на 8 МГц.

Самый популярный вариант – USB зардяник от смартфона, их легко достать, диапазон токов от 500ма до 3А – справится практически с любым проектом. Отрезаем штекер и паяем провода на 5V и GND, предварительно определив, где плюс/минус при помощи мультиметра или по цвету: красный всегда плюс, чёрный – земля, при красном плюсе земля может быть белого цвета. При чёрной земле плюс может быть белым, вот так вот. Точно туда же паяем все датчики/модули/потребители 5 Вольт. Да, не очень удобно это паять, но при известной схеме можно аккуратно собрать всё питание в отдельные скрутки и припаять уже их. Пример на фото ниже. Источником питания там является отдельное гнездо micro-usb, зелёная плата сразу над дисплеем.

Автономное питание


Бывает, что нужно обеспечить автономное питание проекта, т.е. вдали от розетки. Давайте рассмотрим варианты:

  •  Питание в порт USB
    • Самый обыкновенный Powerbank, максимальный ток – 500 мА (помним про защитный диод). Напряжение на пине 5V и высокий уровень GPIO в этом случае будет равен ~4.7V (опять же помним про диод). Внимание! У большинства Powerbank’ов питание отключается при нагрузке меньше 200мА, т.е. об энергосбережении можно забыть;
    • Максимальный выходной ток с пина 5V – 500 мА!
  • Питание в пин Vin (или штекер 5.5×2.1 на плате UNO/MEGA)
    • Любой блок питания/зарядник от ноута с напряжением 7-18 Вольт 
    • 9V батарейка “Крона” – плохой, но рабочий вариант. Ёмкость кроны очень небольшая;
    • Сборка из трёх литиевых аккумуляторов: напряжение 12.6-9V в процессе разряда. Хороший вариант, также имеется 12V с хорошим запасом по току (3А для обычных, 20А для высокотоковых аккумуляторов) для двигателей или светодиодных лент;
    • “Модельные” аккумуляторы, в основном Li-Po. В целом то же самое, что предыдущий пункт, но запаса по току в разы больше;
    • Энергосбережение – не очень выгодный вариант, т.к. стабилизатор потребляет небольшой, но всё же ток;
    • Максимальный выходной ток с пина 5V: 2А при 7V на Vin, 500ma при 12V на Vin
  • Питание в пин 5V
    • Для стабильных 5V на выходе – литиевый аккумулятор и повышающий до 5V модуль. У таких модулей обычно запас по току 2А, также модуль потребляет “в холостом режиме” – плохое энергосбережение;
    • Литиевый аккумулятор – напряжение на пине 5V и GPIO будет 4.2-3.5V, некоторые модули будут работать, некоторые – нет. Работа МК от напряжения ниже 4V не гарантируется, у меня работало в целом стабильно до 3.5V, ниже уже может повиснуть. Энергосбережение – отличное;
    • Пальчиковые батарейки (ААА или АА) – хороший вариант, 3 штуки дадут 4.5-3V, что граничит с риском зависнуть. 4 штуки – очень хорошо при условии, что батарейки чуть разряжены и суммарное напряжение не превышает 5.5V. новые батарейки дадут 6V, что скорее всего убьёт микроконтроллер;
    • Пальчиковые Ni-Mh аккумуляторы – отличный вариант, смело можно ставить 4 штуки, они обеспечат нужное напряжение на всём цикле разряда (до 4V). Также имеют хороший запас по току, можно даже адресную ленту питать.
    • Платы с кварцем (тактовым генератором) на 8 МГц позволяют питать схему от низкого напряжения (2.5V, как мы обсуждали выше), отлично подойдут те же батарейки/аккумуляторы, также для маломощные проекты можно питать от литиевой таблетки (3.2-2.5V в процессе разряда).
    • Максимальный выходной ток с пина 5V ограничен током источника питания

Arduino как источник питания


Важный момент, который вытекает из предыдущих: использование платы Arduino как источник питания для модулей/датчиков. Варианта тут два:

  • Питание датчиков и модулей от 5V
    • При питании платы от USB – максимальный ток 500 мА
    • При питании платы в Vin – максимальный ток 2 А при Vin 7V, 500 мА при Vin 12V
    • При питании платы в 5V – максимальный ток зависит от блока питания
  • Питание датчиков от GPIO (пинов D и A) – максимальный ток с одного пина: 40 мА. Максимальный суммарный ток с пинов не должен превышать 200 мА.

Помехи и защита от них


Если в одной цепи питания с Ардуино стоят мощные потребители, такие как сервоприводы, адресные светодиодные ленты, модули реле и прочее, на линии питания могут возникать помехи, приводящие к сильным шумам измерений с АЦП, а более мощные помехи могут дергать прерывания и даже менять состояния пинов, нарушая связь по различным интерфейсам связи и внося ошибки в показания датчиков, выводя чушь на дисплеи, а иногда дело может доходить до перезагрузки контроллера или его зависания. Некоторые модули также могут зависать, перезагружаться и сбоить при плохом питании, например bluetooth модуль спокойно может зависнуть и висеть до полной перезагрузки системы, а радиомодули rf24 вообще не будут работать при “шумном” питании.

Более того, помеха может прийти откуда не ждали – по воздуху, например от электродвигателя, индуктивный выброс ловится проводами и делает с системой всякое. Что же делать? “Большие дяди” в реальных промышленных устройствах делают очень много для защиты от помех, этому посвящены целые книги и диссертации. Мы с вами рассмотрим самое простое, что можно сделать дома на коленке.

  • Питать логическую часть (Ардуино, слаботочные датчики и модули) от отдельного малошумящего блока питания 5V, а ещё лучше питаться в пин Vin от блока питания на 7-12V, так как линейный стабилизатор даёт очень хорошее ровное напряжение. Для корректной работы устройств, питающихся отдельно (драйверы моторов, приводы) нужно соединить земли Ардуино и всех внешних устройств;
  • Поставить конденсаторы по питанию платы, максимально близко к пинам 5V и GND: электролит 6.3V 470 uF (мкФ) и керамический на 0.1-1 мкФ. Это сгладит помехи даже от сервоприводов;
  • У “выносных” на проводах элементах системы (кнопки, крутилки, датчики) скручивать провода в косичку, преимущественно с землёй. А ещё лучше использовать экранированные провода, экран естественно будет GND. Таким образом защищаемся от электромагнитных наводок;
  • Соединять все земли одним толстым проводом и по возможности заземлять на центральное заземление;
  • Металлический и заземленный корпус устройства (или просто обернутый фольгой 🙂 ), на который заземлены все компоненты схемы – залог полного отсутствия помех и наводок по воздуху.

На практике самая подлая помеха обычно приходит при коммутации индуктивной нагрузки при помощи электромагнитного реле: от такой помехи очень сложно защититься, потому что приходит она по земле, то есть вас не спасёт даже раздельное питание проекта. Что делать?

  • Для цепей постоянного тока обязательно ставить мощный диод обратно-параллельно нагрузке, максимально близко к клеммам реле. Диод примет (замкнёт) на себя индуктивный выброс от мотора/катушки;
  • Туда же, на клеммы реле, можно поставить RC цепочку, называемую в этом случае искрогасящей: резистор 39 Ом 0.5 Вт, конденсатор 0.1 мкФ 400V (для цепи 220В);
  • Для сетей переменного тока использовать твердотельное (SSR) реле с детектором нуля (Zero-cross detector), они же называются “бесшумные” реле. Если в цепи переменного тока вместо реле стоит симистор с оптопарой, то оптопару нужно использовать опять же с детектором нуля, такая оптопара, как и SSR zero-cross будут отключать нагрузку в тот момент, когда напряжение в сети переходит через ноль, это максимально уменьшает все выбросы.

Подробнее об искрогасящих цепях можно почитать вот в этой методичке

Главный Глупый Вопрос


У новичков в электронике, которые не знают закон Ома, очень часто возникают вопросы вида: “а каким током можно питать Ардуино“, “какой ток можно подать на Ардуино“, “не сгорит ли моя Ардуина от от блока питания 12V 10A“, “сколько Ампер можно подавать на Arduino” и прочую чушь. Запомните: вы не можете подать Амперы, вы можете подать только Вольты, а устройство возьмёт столько Ампер, сколько ему нужно. В случае с Arduino – голая плата возьмёт 20-22 мА, хоть от пина 5V, хоть от Vin. Ток, который указан на блоке питания, это максимальный ток, который БП может отдать без повреждения/перегрева/просадки напряжения. Беспокоиться стоит не об Arduino, а об остальном железе, которое стоит в схеме и питается от блока питания. Общий ток потребления компонентов не должен превышать возможностей источника питания, вот в чём дело. А будь блок питания хоть на 200 Ампер – компоненты возьмут ровно столько, сколько им нужно, и у вас останется “запас по току” для подключения других.

Важные страницы


  • Каталог ссылок на дешёвые Ардуины, датчики, модули и прочие железки с AliExpress у проверенных продавцов
  • Подборка библиотек для Arduino, самых интересных и полезных, официальных и не очень
  • Полная документация по языку Ардуино, все встроенные функции и макро, все доступные типы данных
  • Сборник полезных алгоритмов для написания скетчей: структура кода, таймеры, фильтры, парсинг данных
  • Видео уроки по программированию Arduino с канала “Заметки Ардуинщика” – одни из самых подробных в рунете
Питание платы
5 (100%) 1 vote[s]
Последнее обновление Июль 05, 2019
2019-07-05T12:27:15+03:00