Introducere

În acest tutorial, veți afla cum să controlați o încărcare continuă de curent continuu, cum ar fi un motor DC sau o lumină incandescentă de la un microcontroler. Microcontrolerele pot emite doar o cantitate foarte mică de curent de la pinii de ieșire. Acești pini sunt meniți să trimită semnale de control, nu să acționeze ca surse de alimentare. Cel mai comun mod de a controla un alt dispozitiv de curent continuu de la un microcontroler este de a utiliza un tranzistor. Tranzistoarele vă permit să controlați fluxul unui circuit de curent mare de la o sursă de curent redus.

tranzistor

Ce va trebui să știți

Pentru a profita la maximum de acest laborator, ar trebui să vă familiarizați cu următoarele concepte în prealabil. Dacă nu, consultați linkurile de mai jos:

  • Ce este un microcontroler
  • Începutul termenilor de programare
  • Ce este o placă fără sudură și cum să o utilizați
  • Intrare și ieșire digitală
  • Ieșire analogică
  • Electronică de bază
  • Avertisment de siguranță: Acest tutorial vă arată cum să controlați încărcările cu curent mare. Acest lucru vine cu un risc mai mare de rănire cauzat de electricitate decât tutorialele anterioare. Vă rugăm să fiți atenți și să verificați din nou cablajul înainte de a conecta ceva și nu schimbați niciodată cablajul în timp ce circuitul este alimentat.

Lucruri de care ai nevoie

Figurile 1-10 de mai jos sunt părțile de care aveți nevoie pentru acest exercițiu. Faceți clic pe orice imagine pentru o vizualizare mai mare.

Pregătiți panoul

Conectați alimentarea și împământarea de pe placa de masă la alimentarea și împământarea de la microcontroler. Pe modulul Arduino, utilizați 5V sau 3.3V (în funcție de modelul dvs.) și oricare dintre conexiunile de masă, așa cum se arată în figurile 11 și 12.

Așa cum se arată în Figura 11, orificiul de ieșire 5V al Uno este conectat la coloana roșie de găuri de pe partea dreaptă a panoului. Gaura de la sol a lui Uno este conectată la coloana albastră din dreapta plăcii. Coloanele roșii și albastre din dreapta panoului sunt conectate la coloanele roșii și albastre din partea stângă a panoului cu fire roșii și, respectiv, negre. Aceste coloane din partea laterală a unei plăci sunt denumite în mod obișnuit autobuze. Linia roșie este magistrala de tensiune, iar linia neagră sau albastră este magistrala de la sol.

Așa cum se arată în Figura 12, Nano este montat în partea superioară a plăcii de prindere, aflându-se la distanță între diviziunea centrală, cu conectorul USB orientat în sus. Știfturile superioare ale Nano sunt în rândul 1 al panoului.

Nano, la fel ca toate modulele Dual-Inline Package (DIP), are știfturile sale fizice numerotate în formă de U, de la stânga sus în jos stânga, în jos dreapta în sus dreapta. Pinul de 3,3 V al Nano (pinul fizic 2) este conectat la coloana roșie din stânga a panoului. Pinul GND al Nano (pinul fizic 14) este conectat la coloana neagră din stânga. Aceste coloane din partea laterală a unei plăci sunt denumite în mod obișnuit autobuze. Linia roșie este magistrala de tensiune, iar linia albastră sau neagră este magistrala de la sol. Coloanele albastre (autobuze la sol) sunt conectate împreună în partea de jos a panoului cu un fir negru. Coloanele roșii (autobuze de tensiune) sunt conectate împreună în partea de jos a panoului cu un fir roșu.

Adăugați un potențiometru

Conectați un potențiometru la analog în pinul 0 al modulului așa cum se arată în Figura 13 până în Figura 15:

Conectați un tranzistor la microcontroler

Tranzistorul vă permite să controlați un circuit care transportă curent și tensiune mai mare de la microcontroler. Acționează ca un comutator electronic. Cel pe care îl folosiți pentru acest laborator este un tranzistor de tip NPN numit TIP120. Vedeți Figura 16 și Figura 17 pentru desenul pinout și simbolul schematic al tranzistorului. Fișa tehnică a acestuia poate fi găsită aici. Este proiectat pentru comutarea încărcărilor cu curent mare. Are trei conexiuni, baza, colectorul și emițătorul. Baza este conectată la ieșirea microcontrolerului printr-un rezistor. Sarcina de curent mare (adică motorul sau lumina) este atașată la sursa sa de energie, apoi la colectorul tranzistorului. Emițătorul tranzistorului este conectat la masă.

Iată principiul principal de funcționare al utilizării unui tranzistor ca întrerupător: Când se aplică o tensiune și un curent mici între bază și emițător (la sol), tranzistorul permite să curgă un curent mai mare între colector și emițător.

Baza TIP120 se aprinde la aproximativ 2,0 V, deci funcționează bine fie cu un microcontroler de 5 V precum Uno, fie cu un microcontroler de 3,3 V precum Nano 33 IoT sau seria MKR.

Figurile 18-20 arată cum se conectează tranzistorul.

Conectați un motor și o sursă de alimentare

Atașați un motor de curent continuu la colectorul tranzistorului așa cum se arată în figurile 21 până la 23. Majoritatea motoarelor vor necesita mai mult curent decât poate furniza microcontrolerul, deci va trebui să adăugați și o sursă de alimentare separată. Dacă motorul dvs. funcționează în jurul valorii de 9V, puteți utiliza o baterie de 9V. Un motor de 5V poate funcționa cu 4 baterii AA (6V). O baterie de 12V poate necesita un adaptor de perete de 12V DC sau o baterie de 12V. Pământul sursei de alimentare a motorului ar trebui să se conecteze la pământul microcontrolerului, pe placa de măsurare.

Adăugați o diodă de putere 1N400x în paralel cu colectorul și emițătorul tranzistorului, îndreptându-vă spre sol. Dioda protejează tranzistorul de tensiunea de spate generată atunci când motorul se oprește sau dacă motorul este rotit în sens invers. Folosit în acest fel, dioda se numește a diodă snubber.

Asigurați-vă că adăugați dioda în circuitul dvs. corect. Banda de argint de pe diodă denotă catodul care este vârful săgeții din schemă, ca în Figura 24:

Notă: Utilizarea MOSFET-urilor în locul tranzistoarelor bipolare

Puteți utiliza, de asemenea, un tranzistor MOSFET pentru acest lucru. MOSFET-uri, sau Tranzistoare cu efect de câmp semiconductor cu oxid de metal, sunt o formă diferită de tranzistoare decât tranzistoarele bipolare, cum ar fi TIP120. MOSFET-urile nu necesită aproape curent pe bază (numit a Poartă în MOSFET-uri) pentru a permite un curent mai mare să curgă din colector (numit a scurgere în MOSFET-uri) către emițător (numit a sursă în MOSFET-uri) MOSFET-urile IRF510 și IRF520 au aceeași configurație de pin ca TIP120 și funcționează în mod similar cu o tensiune de poartă de 5V. MOSFET-ul FQP30N06L are aceeași configurație a pinului și funcționează la 1.0V și funcționează bine pentru aplicațiile de 3.3V. MOSFET-urile pot gestiona, în general, mai mult amperaj și tensiune, dar sunt mai sensibile la deteriorarea electricității statice. Acestea sunt grupate în N-Channel și P-Channel, care sunt echivalente cu tranzistoarele bipolare NPN și PNP. Iată un tabel de traducere rapidă pentru numele pinilor pe ambele, urmat de diagrame schematice ale MOSFET (Figura 25 - 26):

Tranzistor bipolar MOSFET
BazaPoartă
ColectorScurgere
EmițătorSursă

Circuitul pentru conectarea unui MOSFET la un microcontroler este foarte similar cu circuitul pentru un tranzistor bipolar. Pentru un MOSFET nu aveți nevoie de un rezistor care să conecteze pinul de ieșire al microcontrolerului și poarta așa cum faceți cu un tranzistor bipolar. De fapt, s-ar putea să aveți nevoie chiar și de o rezistență derulantă pentru a opri MOSFET-ul atunci când reduceți pinul de ieșire.

Conectați o lampă în loc de un motor

De asemenea, puteți atașa o lampă folosind un tranzistor. Există multe lămpi cu incandescență de 12V, concepute pentru a fi utilizate în iluminarea șinelor, în iluminatul galeriei etc. În zilele noastre, există multe echivalente cu 12V DC LED ale lămpilor de 12V AC. Iată câteva exemple:

Circuitul lămpii din Figurile 27-29 presupune o lampă de 12V. MOSFET-urile sunt în general cele mai bune pentru comutarea lămpilor cu incandescență și cu LED-uri, astfel încât circuitul de mai jos utilizează un MOSFET. Dacă utilizați o placă de 5V ca Uno, puteți utiliza MOSFET-ul IRF520. Pentru plăcile de 3,3 V, MOSFET-ul FQP30N06L va merge bine. Schimbați sursa de alimentare în consecință dacă utilizați o altă lampă. În circuitul lămpii, dioda de protecție nu este necesară, deoarece nu există nicio modalitate de a inversa polaritatea în acest circuit.

Programați microcontrolerul

Scrieți un program rapid pentru a testa circuitul, indiferent dacă este un motor sau o lampă. Programul dvs. ar trebui să facă pinul tranzistorului o ieșire în metoda de configurare. Apoi, în buclă, ar trebui să pornească și să oprească motorul în fiecare secundă, la fel cum face schița clipitoare.

Acum că îl vedeți funcționând, încercați să modificați viteza motorului sau intensitatea lămpii folosind potențiometrul.

Pentru a face acest lucru, citiți tensiunea potențiometrului folosind analogRead (). Apoi, asociați rezultatul la un interval de la 0 la 255 și salvați-l într-o nouă variabilă. Folosiți acea variabilă pentru a seta viteza motorului sau luminozitatea lămpii folosind analogWrite () .

Pentru utilizatorii de motoare: Un motor controlat astfel poate fi rotit doar într-o singură direcție. Pentru a putea inversa direcția motorului, este necesar un circuit H-bridge. Pentru mai multe informații despre controlul motoarelor de curent continuu cu punți H, consultați laboratorul de control al motorului de curent continuu