Подключение cиловой нагрузки к микроконтроллеру.

Hardware issues, electronic components, schemas, Arduino, STM32, Robots, Sensors
Post Reply
Administrator
Site Admin
Posts: 81
Joined: 26-Feb-2014, 17:54

Подключение cиловой нагрузки к микроконтроллеру.

Post by Administrator » 22-Oct-2017, 22:14

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
Site Admin
Posts: 81
Joined: 26-Feb-2014, 17:54

Re: Подключение cиловой нагрузки к микроконтроллеру.

Post by Administrator » 22-Oct-2017, 22:36

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
mcu-resistor.png (4.96 KiB) Viewed 34166 times
Если Ваш микроконтроллер не обеспечивает необходимый ток, то переходите к следующему методу.

Administrator
Site Admin
Posts: 81
Joined: 26-Feb-2014, 17:54

Re: Подключение cиловой нагрузки к микроконтроллеру.

Post by Administrator » 22-Oct-2017, 22:50

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
transistor-schema.gif (9.29 KiB) Viewed 34166 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
transistor-npn.gif (33.6 KiB) Viewed 34203 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
mcu-transistor1.png (11.81 KiB) Viewed 34165 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
mcu-transistor2.png (11.15 KiB) Viewed 34165 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
mcu-buzzer.png (7.74 KiB) Viewed 34165 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.

Administrator
Site Admin
Posts: 81
Joined: 26-Feb-2014, 17:54

Re: Подключение cиловой нагрузки к микроконтроллеру.

Post by Administrator » 20-Aug-2022, 16:45

Подключение нагрузки с помощью полевого транзистора.
Затвор полевого транзистора должен быть зафиксирован в каком-либо состоянии. Для этой цели обычно используется высокоомный подтягивающий (стягивающий) резистор на землю GND. Если ёмкость затвора большая, то для защиты порта от большого тока следует поставить небольшой ограничивающий резистор.
mcu-mosfet.png
mcu-mosfet.png (7.74 KiB) Viewed 9082 times
Для управления мощными МОП транзистором может потребоваться микросхема-драйвер.
Мощные МОП транзисторы имеют практически бесконечное входное сопротивление, но большую входную ёмкость и ёмкость обратной связи. Причём, обе настолько большие, что быстрое переключение состояния может потребовать тока затвора, измеряемого амперами. Вас может не интересовать скорость, но придётся учитывать обстоятельства: низкий ток затвора ведёт избыточному тепловыделению.

В ключах с общим истоком зарядка емкостей затвор-исток и затвор-сток требует обеспечить ток управления в момент изменения потенциала затвора. Кроме того, при изменении напряжения на стоке свой вклад в ток затвора вносит эффект Миллера. Все эти явления часто объединяют в один график «зависимости заряда затвора от напряжения затвор-исток», см. рис.
aoe3_03_101.png
aoe3_03_101.png (23.69 KiB) Viewed 9082 times
Горизонтальный участок начинается в момент достижения порога включения. Здесь быстро падающее напряжение стока вытягивает из драйвера дополнительный ток, чтобы зарядить ещё и CRSS (эффект Миллера). Эффект Миллера и заряд затвора - причина серьёзного ограничения скорости переключения, и быстрые переходные процессы в мощном транзисторе могут потребовать от драйвера затвора многих ампер. Например, IRF1405, упомянутый ранее, имеет Qg≈100 nC (заряд затвора), поэтому переключить его за 10 ns можно током I=Qg/t=10 A.
aoe3_03_103.png
aoe3_03_103.png (48.12 KiB) Viewed 9082 times
Предположим, требуется управлять типичным слаботочным 2N7000 от прямоугольного сигнала 0...5V с выхода логической схемы. Рисунок показывает, что получится, если управляющий сигнал на затвор подаётся через резистор 10 kΩ . Эффект Миллера растягивает время переключения до ∼2μs , хотя сам транзистор может переключаться в 200 раз быстрее: 10 ns по справочным данным. Впрочем, в тех же данных есть также цифра RGEN=25 Ω . Нагрузка 1 kΩ на +50 V. По горизонтали 2μs/div.

http://the-epic-file.com/text/bookz/aoe ... x_03_05_04

Post Reply