Подключение cиловой нагрузки к микроконтроллеру.

[Administrator]

Подключение cиловой нагрузки к микроконтроллеру.

Микроконтроллеры предназначены для обработки данных и для управления внешними устройствами. Электрические цепи, в которых используются микроконтроллеры, иногда требуют для управления высокое напряжение или большие токи. Примерами таких устройств являются – светодиоды, лампочки, динамики, реле, двигатели, исполнительные устройства и т.д. Проблема заключается в том, что микроконтроллер питается от фиксированного источника тока с напряжением 3 или 5 вольт. А управлять ему необходимо внешними электрическими цепями различного напряжения и токами. Задача становится актуальной с широким распространением низковольтных и слаботочных микроконтроллеров нацеленных на режимы энергосбережения. Например, относительно старые контроллеры ATMega328 обеспечивают ток до 40 мА на каждый порт при общем потреблении 200 мА. В то же время новые контроллеры Cortex-M7 выдают только от 2 до 10 мА в каждый порт. Отметим, что для включения светодиода необходим ток не менее 10 мА. Проблема актуальна, поэтому рассмотрим наиболее распространенные способы подключения нагрузки к ножкам (портам ввода-вывода, GPIO) микроконтроллера.

В основном будем использовать цифровые сигналы (микроконтроллер - это цифровое устройство) и не будем отходить от общей логики: 1-включено, 0-выключено. В микроконтроллерах с питанием 5 вольт высокому уровню сигнала (логическая 1) соответствует напряжение от 2 В до 5В (VCC). Низкий уровень сигнала (логический 0) обычно в диапазоне от 0 до 0.8 В. Это утверждение справедливо для микросхем, построенных по технологии транзисторно-транзисторной логики (TTL) на основе биполярных транзисторов. Современные микросхемы, созданные на основе CMOS (на полевых транзисторах) используют примерно такие же уровни сигналов - логический 0 кодируется от 0 В до 1/3 VCC, а логическая 1 кодируется от 2/3 VCC до VCC.

[Administrator]

1. Нагрузка в виде постоянного тока.

Нагрузкой постоянного тока являются: светодиоды, лампы, реле, двигатели постоянного тока, различные исполнительные устройства и т.д. Такая нагрузка используется наиболее часто и подключается довольно просто к микроконтроллеру.

1.1 Подключение нагрузки через резистор.
Самый простой и, наверно, чаще всего используемый способ, если речь идет о светодиодах.

Резистор нужен для того, чтобы ограничить ток, протекающий через порт (ножку) микроконтроллера до допустимых 10 или 20мА в зависимости от микроконтроллера. Его называют балластным или гасящим. Рассчитать величину резистора можно зная сопротивление нагрузки Rн.

R = (5v / 0.02A) – Rн = 250 – Rн [Om]

Даже в самом худшем случае – когда сопротивление нагрузки равно нулю, достаточно 250 Ом для того, чтобы ток не превысил 20мА. Можно поставить 330 Ом и Вы защитите порт от перегрузки. Светодиод будет гореть достаточно ярко, поэтому целесообразно ограничить ток 10 мА и использовать резистор 470 Ом для 5-вольтовых схем, а 330 Ом для 3-вольтовых схем. Синие, зеленые и ультрафиолетовые светодиоды могут требовать больший ток, соответственно значение резистора следует немного уменьшить.

mcu-resistor.png (4.96 KiB) Viewed 1975 times

Если Ваш микроконтроллер не обеспечивает необходимый ток, то переходите к следующему методу.

[Administrator]

1.2 Подключение нагрузки при помощи биполярного транзистора.

Если в Вашей электрической схеме требуется нагрузка более 20мА (или превышает ток порта), то резистор тут не поможет. Нужно как-то увеличить подачу тока в нужный участок схемы. Для усиления сигнала применяют транзистор.

transistor-schema.gif (9.29 KiB) Viewed 1975 times

Подключение при помощи транзистора
Для усиления удобно применять n-p-n транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Такая схема предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по напряжению и по току. При этом входной сигнал, усиливаясь транзистором, инвертируется. Нагрузка в такой схеме подключается в цепь коллектора. Коллектор и его область p-n перехода внутри транзистора физически больше, чем область базы или эмиттера, поэтому ток и напряжение коллектора может быть большим и нагрузку включают в этот участок. Когда нагрузка включена в цепь коллектора, то следует помнить про фазовый сдвиг на 180 градусов выходного напряжения относительно входа на базе.

transistor-npn.gif (33.6 KiB) Viewed 2012 times

Использование транзистора позволяет подключать нагрузку с большими токами и напряжением питания, чем питание микроконтроллера. Резистор на базе – ограничительный и может варьироваться в широких пределах (1-10 кОм), в любом случае транзистор будет работать в режиме насыщения (Vbe saturation). Для открытия транзистора обычно достаточно подать 1 вольт на базу. Ток, проходящий через базу, управляет большим током «коллектор-эмиттер» (в h21 раз). Величина h21 зависит от марки транзистора, от подключённой нагрузки и обычно имеет значение в диапазоне от 10 до 500.

mcu-transistor1.png (11.81 KiB) Viewed 1974 times

Например, согласно даташиту, в транзисторе BC546 для коммутации тока 100 mA в цепи коллектор-эмиттер необходимо подать на базу 0.9 В и ток базы 5 mA (base-emitter saturation voltage). Несложно рассчитать номинал резистора для базы. Для коммутации больших токов биполярные транзисторы малопригодны. Вместо них используют более дорогие – полевые транзисторы.

DC Current Gain (h21) = Ic / Ib, т.е. ток базы (Ib) = 100 / 20 = 5 mA.
Rb = 5 V / 5 mA = 1 kOhm

Если нагрузка невелика, то можно включать нагрузку в цепь эмиттера. Такая схема включения транзистора с общим коллектором предназначена для усиления амплитуды входного сигнала только по току. Усиления входного сигнала по няпряжению нет и входной сигнал транзистором не инвертируется. Поэтому такие схемы включения называют эмиттерным повторителем.

mcu-transistor2.png (11.15 KiB) Viewed 1974 times

Можно использовать любой n-p-n транзистор. Коэффициент усиления, практически не имеет существенного значения. Выбирается транзистор по току коллектора (нужный нам ток) и напряжению коллектор-эмиттер (напряжение, которым питается нагрузка). Из распространенных и доступных популярны BC546- BC550, КТ315 и даже монстры вроде MJE13007.

Редко можно встретить в электрических схемах p-n-p транзисторы. Тем не менее они успешно используются, например для зуммера. Основное отличие pnp-транзистора от его npn-собрата – противоположное направление тока. Для открытия pnp-транзистора напряжение на базе должно быть меньше, чем напряжение эмиттера. Эмиттер обычно подключен к питанию VCC, база через резистор 10кОм подключена к порту микроконтроллера, а коллектор через нагрузку идёт на землю (GND). Логический 0 в порту создаст низкий уровень напряжения на базе и ток в цепи «эмиттер-коллектор» пойдёт через нагрузку в GND. С помощью резистора от 1кОм до 100кОм можно управлять током нагрузки. Логическая 1 в порту обеспечит VCC на базе и pnp-транзистор будет закрыт. Однако, если напряжение порта в высоком состоянии меньше чем VCC – Vbe, то транзистор не закроется полностью.

mcu-buzzer.png (7.74 KiB) Viewed 1974 times

Обязательно следует построить компьютерную модель схемы, изучить её работу и измерить токи и напряжения в разных частях электрической цепи. Такие программы как Proteus и бесплатные online-конструкторы позволяют быстро и эффективно решать эти задачи.