Как устройства с большим током (двигатели, соленоиды, источники света и т. Д.) Могут управляться Arduino?

Я ищу широкоприменимое решение, которое можно адаптировать к различным проектам.

В настоящее время я работаю над несколькими проектами, каждый из которых требует управления устройствами в диапазоне от 800 мА до 2 А от Arduino Uno. Один управляет шаговыми двигателями, один управляет электромагнитными приводами 12 В пост. Тока, а другой - пневматическими клапанами 12 В пост.

Например:

Arduino контролирует кнопку, и каждый раз, когда она нажимается, запускается электромагнитный привод. Поскольку Arduino не может подать ток, необходимый для соленоида, требуется отдельный источник питания, когда Arduino управляет переключателем (реле, транзистором и т. Д.), Который позволяет пропускать более высокий ток. Для шагового двигателя схема более сложная, так как потребуется четыре контакта, управляющих четырьмя отдельными переключателями (для обеспечения совместимости схемы). Реле управляет воздушным клапаном и также требует 12 В постоянного тока.

Я пытаюсь выяснить, как использовать единственную схему, которая может использоваться в каждом из этих приложений (и любых будущих проектах), которые включают в себя управление устройствами с более высоким током, чем с выводами Arduino.

Скорость прототипирования, стандартизированные компоненты и низкая стоимость являются движущими факторами. Скорость переключения, срок полезного использования и шум также важны.

Есть ли отладочная плата, схема или компонент, который можно подключить к выводу Arduino и использовать для управления сильноточным устройством? В идеале - с потенциометром, управляемым программным обеспечением, чтобы в самом эскизе можно было установить сопротивление для различных проектов.

Чтобы управлять такими высокими токами, вам, возможно, придется каскадировать несколько транзисторов (вы также можете использовать транзистор Дарлингтона ). В чипе установлены матрицы Дарлингтона (например, ULN2803A имеет 8 транзисторов Дарлингтона, но ограничен 500 мА).

Вам, вероятно, придется иметь дело с более мощными транзисторами; В качестве примера я нашел STMicroelectronics TIP110, который может поддерживать переключение тока 2 А (пик 4 А), но для рассеивания тепла ему, вероятно, потребуется радиатор.

Обратите внимание, что мне интересно, действительно ли вашим степперам нужен ток 2А (они такие большие?). Для степперов вы обычно можете найти интегральную схему, которая может их легко управлять, например, L293D, но эта может управлять «только» 600 мА).

В заключение, я боюсь, что вы не найдете решения «один размер подходит всем», так как все ваши устройства разные и должны управляться соответствующей схемой.

Редактировать:

Поскольку увеличение размера не является проблемой в вашем случае прототипирования, вы можете использовать МОП-транзистор вместо обычных биполярных транзисторов. МОП-транзистор сможет управлять более высокими токами и напряжениями, чем стандартные транзисторы.

Недостатком является то, что вы можете использовать его только в качестве переключателя (например, реле) и, следовательно, не можете реально управлять точной мощностью для ваших устройств. Я предполагаю, что это не имеет значения для шагового двигателя или соленоида, но это может быть важно, например, для фар.

Тем не менее, хорошо то, что вы все равно можете использовать для этого ШИМ, поскольку скорость переключения MOSFET достаточно хороша для таких целей.

Что касается цены, существует множество различных типов МОП-транзисторов, но я думаю, что вы можете найти тот, который соответствует вашим потребностям (12 В, 2 А), менее чем за 1 доллар.

Я советую вам взглянуть на эту замечательную статью на эту тему.

Существует множество способов переключения более высоких нагрузок, и jfpoilpret описал несколько хороших вариантов. Я суммирую пару решений на основе реле, которые в основном подходят для сравнительно медленных скоростей переключения (то есть обычно не подходят для ШИМ).

Твердотельные реле
Твердотельные реле (SSR) - это полупроводниковые переключатели. Они бывают разных конфигураций, в зависимости от ваших требований, но ключевым фактором является отсутствие движущихся частей. Это означает, что они могут быть очень надежными в долгосрочной перспективе при правильном использовании.

Внутренне они обычно состоят из полевых МОП-транзисторов и тиристоров или аналогичных устройств. Это может позволить им достичь довольно высоких скоростей переключения в теории. На практике, чем больше мощности, на которую он рассчитан, тем сложнее быстро переключаться. Это означает, что высокая скорость + высокая мощность могут стать довольно дорогими.

Критическим фактором, который следует иметь в виду, является то, что вам обычно потребуется другой тип SSR, если вы собираетесь переключать переменный ток вместо постоянного тока. Также хорошо отметить, что некоторые из них будут поставляться со встроенным оптоизолятором или чем-то подобным, чтобы разделять ваши источники питания.

Электромеханические реле
Это более «традиционный» подход. Электромеханическое реле (ЭМИ) - довольно простой компонент, содержащий механический переключатель, управляемый электромагнитной катушкой. Если выключатель нормально разомкнут, катушка закрывает его, когда подается управляющий ток. Напротив, нормально замкнутый переключатель будет открыт при подаче управляющего тока.

Существует ряд преимуществ EMR перед такими вещами, как SSR. Наиболее очевидным является стоимость - их простота делает их довольно дешевыми, и стоимость для более мощных версий не так резко возрастает. Кроме того, управление и нагрузка по своей сути изолированы, и им все равно, переключаете ли вы переменный или постоянный ток.

Есть несколько недостатков, хотя. Механический аспект означает, что ЭМИ, как правило, намного медленнее, чем немеханические коммутационные решения, и могут страдать от отказов контактов. Кроме того, они могут физически изнашиваться, и на них могут воздействовать такие вещи, как удары, вибрации и (потенциально) другие магнитные поля.

При разработке схемы для использования ЭМИ, важно знать о противо-ЭДС (электродвижущая сила). При подаче управляющего тока катушка действует как индуктор, накапливая заряд электромагнитно. Когда управляющий ток прекращается, накопленный заряд может подниматься обратно через цепь управления, создавая большой всплеск отрицательного напряжения (потенциально намного больший, чем тот, который был первоначально применен).

Этот всплеск, к сожалению, может повредить / уничтожить любые подключенные компоненты или контакты микроконтроллера. Обычно это предотвращается / смягчается путем помещения диода в обратном направлении через контакты управления реле. В этом контексте его иногда называют обратным диодом, и он позволяет ЭДС безопасно рассеиваться.

Как уже сказал jfpoilpret, мощный МОП-транзистор отлично подходит для включения и выключения питания 12 В постоянного тока для устройств с напряжением до 44 А. Существуют десятки таких мощных МОП-транзисторов по цене менее 1 доллара за штуку. Доступны более дорогие МОП-транзисторы, способные выдерживать гораздо более высокие значения тока и напряжения.

В принципе, можно управлять шаговым двигателем с помощью микроконтроллера и нескольких транзисторов и нескольких других мелких деталей. Однако многие люди предпочитают использовать «микросхему драйвера шагового привода», поэтому программная ошибка не может случайно включить транзисторы таким образом, чтобы замкнуть источник питания на землю (обычно разрушая как минимум 2 транзистора). Многие современные микросхемы со степпером также поддерживают микрошаг, ограничение тока, защиту от тепловой перегрузки и другие полезные функции.

Все чипы драйвера шагового привода, о которых я когда-либо слышал, и несколько готовых плат, использующих эти чипы, перечислены по адресу http://reprap.org/wiki/stepper_motor_driver .

В частности, многие из принтеров RepRap 3D, которые я видел, соединяют Arduino с четырьмя шаговыми драйверами Pololu (менее 15 долларов США каждый) для управления пятью шаговыми двигателями.

Я сделал цепь Arduino (Arduino Nano) для питания 12 В Пельтье (который также является источником высокой мощности), используя транзистор MTP3055V MOSFET 60V 12A. И схема работает очень хорошо.