Управление нагрузкой с Arduino

Управление электрической нагрузкой с помощью Arduino ( реле, транзисторы, диммеры).

Эта статья посвещенна в основном тем экпериментаторам, которые уже попробовали моргать светодиодыми с помощью Arduino и хотели бы попробовать применить свои контроллеры и приобретенные знания для более серьезных и полезных вещей. Также она будет интересная людям желающим систематизировать свои знания относительно возможности управления силовой нагрузкой и коммутации электрических цепей с помощью одноплатных контроллеров Arduino и им подобных плат.

Для начала давайте рассмотрим характеристики платы. Для примера возьмем Arduino Nano :

Микроконтроллер Atmel ATmega168 или ATmega328
Рабочее напряжение (логическая уровень) 5 В
Входное напряжение (рекомендуемое) 7-12 В
Входное напряжение (предельное) 6-20 В
Цифровые Входы/Выходы 14 (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ)
Аналоговые входы 8
Постоянный ток через вход/выход 40 мА
Флеш-память 16 Кб (ATmega168) или 32 Кб (ATmega328) при этом 2 Кб используются для загрузчика
ОЗУ 1 Кб (ATmega168) или 2 Кб (ATmega328)
EEPROM 512 байт (ATmega168) или 1 Кб (ATmega328)
Тактовая частота 16 МГц
Размеры 1.85 см x 4.2 см

Питание контроллера осуществляется через mini-USB или от нерегулируемого источника 6-20В ( вход Vin соединенный со табилизатором напряжения).

arduino-nano

Некоторые входы Arduino дуплексированны, тоесть могут выполнять несколько функций, например Pin 3, 5, 6, 9, 10, и 11 помимо возможности дискретных входов и выходов ( задается программно) может выполнять функцию ШИМ с разрешением 8 бит и это пригодится нам чуть позже. максимальные выходные характеристики выходов контроллера 5В при токе 40мА

Вернемся к теме данной статьи, первым и самым простым методом управления нагрузкой как постоянного, так и переменного тока является реле. Суть работы которого заключается в управлении контактной группой на выходе ( 11, 12, 14), подачей напряжения на катушку на входе ( А1, А2 ), которая по средствам магнитной силы двигает свой сердечник в свою очередь механически связанный с контактной группой. У реле есть один большой плюс – это гальваническая развязка между силовой цепью которую оно коммутирует и цепью управления, которая чаще всего низковольтная, в нашем случае катушка реле управляется 5V постоянного тока (DC) напрямую с любого выхода Arduino. Выходная контактная группа обычно состоит из 3 контактов: общий контакт, нормально закрытый NC, и нормально открытый NO. Общая схема реле выглядит следующим образом.

RelayScheme

Сборка из 4 реле.

RelayNote

Таким образов с помощью реле можно коммутировать нагрузку до 10 А ( согласно спецификации самого реле). Для программной реализации используется функция: digitalWrite(pin, value). Где value принимает значение HIGH или LOW. Практическая схема, а также программа для управления лампой 250W 220V приведена в статье обогрев птичника.

Если же необходимо плавное управление нагрузкой, подходящим инструментом бедет ШИМ регулирование. Как известно выходы ардуино не могут выдавать аналоговых значений в диапазоне 0…5 В, но возможно менять скважность сигнала тем самым получая эффект плавно рагулировки яркости светодиода или скорости электромоторчика. В программе используется функция: analogWrite(pin, value) , в которой value принимает значение от 0…255 ( переод работы цикла). Частота же ШИМ сигнала приблизительно 490 Hz.

Для плавной регулировки яркости более мощной нагрузки (постоянного тока), чем обычный светодиод нам понадобится транзисто. Есть как готовые сборки ( драйверы) с транзиторами для Arduino. Пример использования транзистора в статье освещение прихожей, но также довольно просты в использовании простые транзисторы, цена их будет значительно ниже. В примере будет рассмотрен полевой транзистор STP16NF06 . Это N канальный транзистор, что значит без напряжения на затворе транзистор будет закрыт. Суть прибора заключается в управлении проводимостью канала сток – исток с помощью небольшого напряжения на затворе. Ниже фото устройства собранного мной для управления светододными лентами.

STP16NF сборка Сток ( drain ) – подача высокого напряжения
Затвор ( gate ) – управляющее напряжения с вых Arduino
Исток ( source ) – протекает ток со стока, когда транзистор открыт

Для наглядности привожу одну из своих схем по управлению светодиодными лентами.

STP16NF06 scheme

Datasheet на транзистор также прикладываю к этой статье. Наиболее интересующие нас пареметры :

Vds – максивальное напряжение сток — исток 60 В
Pd – рассеиваемая мощность 45 Вт
Id – максимальный ток через транзистор 16 А
Vgs.th – пороговое V затвор-исток 20 В
Vgs – напряжение затвор-исток 2-4 В    

Vgs.th – должно быть в нашем случае не выше 5В. Vgs должно быть не меньше напряжения управляющего сигнала. Чтобы убедиться пропустит ли транзистор достаточный ток при подаче 5В от ардуино достаточно посмотреть на характеристику Id(Vgs).

diagramm Id(Vgs)

Также обратите внимание что рассеивающая способность зависит от типа корпуса, для корпуса TO-220 она выше.

Существуют более специфичные схемы управления нагрузкой, например для управления мощными светодиодами, которые приобретают все большую поплярность. Пример такого управления я приводил в статье посвещенной фитолампам (управление умной фитолампой). Особенность этих светодиодов заключается в отсутсвии токоограничивающих резисторов в цепи светодиода, значит постоянное значение тока 300mA для 1W светодиодов и до 700mA для 3W светододов должен поддерживать драйвер. При этом драйвер должен изменять значение своего выходного напряжения в зависимости от количества подключаемых светодиодов, так как светодиоды подключаются последовательно величина напряжения будет равна сумме падений напряжения на каждом светододе для 3W светодиодов это порядка 3V, значит для 5 светодиодов нам понадобится 15V на выходе драйвера и 700mA соответсвенно. Для уравления такими светодиодами я использую драйвер LDD-700H. Есть модификации как для установки на плату так и для наружной установки.

LDD-700H

Устройсво имеет сравнительно невысокую стоимость и высокое качество сборки. Часто блоки питания и драйверы Mean well используются в промышленной автоматике.

Интересующие нас параметры:

Входное напряжение DC 9…56 В
Выходное напрядение 2…52 Вт
Постоянный выходной ток ток 600 мА
Вход диммирования 0.8…6 В

Устройство имеет вход для диммирования состояние выкл при V < 0.8V и вкл при V > 2.5V DC. Таким образом драйвер можно напрямую подключать к платам ардуино с выходом ШИМ 5V.

Это все методы коммутации нагрузки, которые я хотле рассмотреть сегодня, конечно существуют и други схемы, с применением контакторов, импульсных реле и твердотельных реле, но о них я напишу в слюдеющей статье.


Драйвера мощных светодиодов meanwell LDD-700H datasheet приобрести можно на Aliexpress
Транзистор N канальный STP16NF06 MOSFET datasheet
Сборка из 4 реле, Aliexpress.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *