Как безопасно подключать внешние устройства к микроконтроллеру?
В этой статье рассматриваются важные драйверы и правильные схемы, необходимые для безопасного подключения внешних устройств к вводу/выводу MCU (микроконтроллер, англ. — Microcontroller Unit, MCU).
Введение
Как только у вас возникнет идея для проекта, очень заманчиво перейти прямо к подключению Arduino к схемам и устройствам, таким как светодиоды, реле и динамики. Однако делать это без правильной схемы может оказаться фатальным для вашего микроконтроллера.
Многие устройства ввода/вывода потребляют много тока (> 100 мА), которые большинство микроконтроллеров не могут обеспечить в безопасном режиме, а когда они пытаются обеспечить такое количество тока, они часто ломаются. Здесь нам на помощь приходят специальные схемы, которые называются «драйверы» (англ. — drivers). Драйверы — это схемы, которые могут принимать небольшой слабый сигнал от микроконтроллера, а затем использовать этот сигнал для управления каким-либо энергопотребляющим устройством.
Для правильной работы микроконтроллеров с внешними устройствами иногда требуются специальные схемы. Эти внешние устройства включают:
- Цепи драйвера
- Схемы защиты входа
- Схемы защиты выхода
- Цепи изоляции
Итак, давайте посмотрим на некоторые из этих схем и на то как они работают!
Простой светодиодный (LED) драйвер
Эта простая схема удобна для управления светодиодами с высоким энергопотреблением с помощью микроконтроллеров, где выход микроконтроллера подключен к «IN».
Пример простого светодиодного драйвера
Когда микроконтроллер выводит 0, транзистор Q1 отключается, а также светодиод D1. Когда микроконтроллер выводит 1, транзистор включается, и поэтому D1 также включается. Значение R1 зависит от выходного напряжения вашего микроконтроллера, но значения между 1KΩ
10KΩ часто работают хорошо. Значение R2 зависит от размера нагрузки, которую вы питаете, и эта схема подходит для питания устройств до 1А и не более.
Простой релейный драйвер
Устройствам, которые потребляют более 1 А тока и будут включаться и выключаться раз в несколько секунд, лучше подойдут реле.
Хотя реле достаточно просты (небольшой электромагнит, который привлекает металлический рычаг для замыкания схемы), они не могут управляться непосредственно микроконтроллером.
Для обычных реле требуются токи около 60 мА
100 мА, что слишком много для большинства микроконтроллеров, поэтому реле требуют схему с использованием управления транзистором (как показано выше). Однако вместо резистора, который необходимо использовать для ограничения тока, требуется обратный диод защиты (D1).
Когда микроконтроллер (подключенный к «IN»), выдает 1, тогда включается транзистор Q1. Это включает реле RL1, и в результате загорается лампа (R2). Если микроконтроллер выводит 0, то транзистор Q1 отключается, что отключает реле, и поэтому лампа выключается.
Реле очень часто встречаются в схемах, требующих переключения цепей электропитания переменного тока, и доступны для переключения 230В и 13А (подходит для тостеров, чайников, компьютеров и пылесосов).
Пример простого релейного драйвера
Кнопки
При подключении кнопки к микроконтроллеру могут иногда возникнуть простые проблемы. Первая (и самая раздражающая проблема) возникает в виде отскока, когда кнопка посылает много сигналов при нажатии и отпускании.
Кнопки обычно представляют собой кусок металла, который при контакте соприкасается с каким-то другим металлом, но когда кнопки вступают в контакт, они часто отскакивают (хотя они чаще всего крошечные). Этот отскок означает, что кнопка соединяется и отключается несколько раз, прежде чем зафиксироваться, а в итоге — результат, который ненадолго выглядит случайным. Поскольку микроконтроллеры очень быстрые, они могут поймать этот отскок и выполнять события нажатия кнопки несколько раз. Чтобы избавиться от отскока, можно использовать схему ниже. Схема, показанная здесь, представляет собой очень тривиальную схему, которая хорошо работает и проста в построении.
Защита входа: напряжение
Не все устройства ввода будут дружественными к вашему микроконтроллеру, а некоторые источники могут даже нанести ущерб. Если у вас есть источники входного сигнала, которые поступают из окружающей среды (например, датчик напряжения, датчик дождя, человеческий контакт) или источники входного сигнала, которые могут вывести напряжения, превышающие то, что может обрабатывать микроконтроллер (например, цепи индуктора), тогда вам потребуется включать некоторую защиту ввода напряжения. Схема, показанная ниже, использует 5V стабилитронов для ограничения входных напряжений, так что входное напряжение не может превышать 5 В и ниже 0 В. Резистор 100R используется для предотвращения слишком большого тока, когда диод Зенера захватывает входное напряжение.
Пример защиты ввода напряжения
Защита ввода/вывода: ток
Входы и выходы микроконтроллеров иногда могут быть защищены от слишком большого тока. Если устройство, такое как светодиод, потребляет меньше тока, чем максимальный выходной ток от микроконтроллера, тогда светодиод может быть напрямую подключен к микроконтроллеру. Тем не менее, последовательный резистор будет по-прежнему необходим, как показано ниже, а общие значения последовательных резисторов для светодиодов включают в себя 470 Ом, 1 кОм и даже 2,2 кОм. Серии резисторов также полезны для входных контактов в редких случаях, когда неисправны контакты микроконтроллеров или входное устройство испытывает всплеск выходного тока.
Пример использования резисторов для защиты тока
Преобразователи уровня
В прошлом большинство сигналов в цепи работало бы на одном и том же напряжении, и это напряжение обычно составляло 5 В. Однако с увеличением технологических возможностей современной электроники снижается напряжение на новых устройствах. Из-за этого многие схемы включают смешанные сигналы, в которых более старые части могут работать при напряжении 5 В, в то время как более новые части работают при напряжении 3,3 В.
Хотя многие радиолюбители предпочли бы использовать один уровень напряжения, правда состоит в том, что более старые 5-вольтовые части могут не работать на 3,3 В, в то время как более новые устройства 3,3 В не могут работать при более высоком напряжении 5 В. Если устройство 5V и устройство 3.3V хотят общаться, то требуется сдвиг уровня, который преобразует один сигнал напряжения в другой. Некоторые устройства с напряжением 3,3 В имеют 5 В «толерантность», что означает, что сигнал 5 В может напрямую подключаться к сигналу 3,3 В, но большинство устройств 5 В не могут переносить 3.3 В. Чтобы охватить оба варианта, приведенные ниже схемы показывают преобразование от 5 до 3,3 В и наоборот.
Примеры преобразователей уровня
Изоляция: Оптоизолятор
Иногда схема, с которой должен взаимодействовать микроконтроллер, может представлять слишком много проблем, таких как электростатический разряд (ESD), широкие колебания напряжения и непредсказуемость. В таких ситуациях мы можем использовать устройство, называемое оптоизолятором, которое позволяет двум цепям общаться, не будучи физически соединенными друг с другом с помощью проводов.
Оптоизоляторы взаимодействуют с использованием света, когда одна цепь излучает свет, который затем обнаруживается другой схемой. Это означает, что оптоизоляторы не используются для аналоговой связи (например, уровни напряжения), но вместо этого для цифровой связи, где выход включен или выключен. Оптоизоляторы могут использоваться как для входов, так и для выходов на микроконтроллеры, где входы или выходы могут быть потенциально опасны для микроконтроллера. Интересно, что оптоизоляторы также могут использоваться для смещения уровня!
Пример использования optoisolation для защиты вашего микроконтроллера
Источник
Контроль сигналов высокого напряжения через микроконтроллер
Что считать высоким напряжением для схем на основе МК? Если формально, то всё, что выше напряжения питания. Если с практической точки зрения, то всё, что больше 25. 30 В. Диапазон выбран условно, он ни к чему не привязан. Ситуация напоминает известное разделение электроустановок по безопасности на две категории: до и свыше 1000 В (число «1000» не поддаётся строгому математическому расчёту и выбрано как легко запоминающееся).
Высокие напряжения могут быть постоянными, импульсными или медленно изменяющимися во времени. Для их снижения обычно используют резисторные делители с конденсаторными фильтрами. При напряжениях более 200 В резисторы надо применять высоковольтные (визуально они узкие и длинные) или обычные, но больших геометрических размеров, например, мощностью 0.5. 2.0 Вт.
Особое внимание в высоковольтной технике уделяется защите от всплесков напряжений и искровых помех. Ограничительные диоды, разрядники, варисто-ры, стабилитроны и конденсаторы здесь лишними не бывают.
При наладке высоковольтных устройств требуется внимательность и предельная осторожность. Необходимо выполнять простые правила житейской безопасности, а именно, касаться токоведущих частей только одной рукой (другую держать за спиной), находиться подальше от заземлённых предметов (водопроводные краны, батареи центрального отопления), использовать исправный инструмент и надёжные измерительные приборы. Интересно, что на некоторых предприятиях операции по работе с высоким напряжением относят к особо ответственным и выполняют их только в первую (а не во вторую и не в третью) смену.
в) защита входа МК элементами RI, VDI, CI. Резистор R3 обязателен при большом пороговом напряжении стабилитрона VD1. Сопротивление резистора R3 нужно увеличить до 1. 3 кОм, если вместо VD1 будет поставлен мощный TVS-диод, например, P4SMA6.8A (6.8 В);
г) транзистор VT1 увеличивает крутизну фронтов сигнала и буферно защищает МК;
д) подключение датчика радиактивного излучения В! к МК. Для нормальной работы датчика на его обкладки подаётся высокое напряжение 500 В. При регистрации пролетающих частиц происходит локальный пробой и высокое напряжение через делитель RI, R2 поступает в МК;
е) приём сигналов с напряжением до ±100 В. Компаратор DA1 регистрирует моменты перехода напряжения через нуль, гистерезис 25 мВ. Конденсатор С1 устраняет ВЧ-«звон» сигналов;
ж) приём дискретных (цифровых) сигналов, на которые наводятся высоковольтные помехи. Особенности схемы — защитные стабилитроны VDI, VD2, ускоряющая цепочка R3, СЗ, буферный усилитель-инвертор VTI, конденсатор фильтра С4.
з) обработка импульсно-модулированных напряжений амплитудой до 100 В. Инвертор DDI увеличивает крутизну фронтов сигнала и обеспечивает буферную защиту МК;
и) ОУ DA1 служит повторителем входного сигнала. Схема применяется при большой длине между ОУ и DAI или для защиты МК от перенапряжений. Резистором RI снижается амплитуда;
к) разрядник FVI защищает входные цепи от подачи напряжения более 160 В. Диоды VDI, VD2ограничивают сигнал с двух сторон. Наличие/отсутствие напряжения фиксирует АЦП МК . Для обычной цифровой линии порта следовало бы удалить диод VD2
л) при входном напряжении 0. +5 В эквивалентное последовательное сопротивление двух транзисторов VTI, VT2 составляет около 2 кОм. При увеличении входного напряжения в диапазоне от 5 до 500 В транзисторы автоматически ограничивают протекающий ток до 1 мА (определяется резистором RI).
Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема. (Выпуск 1)
Источник
Токовая защита однофазных и трехфазных асинхронных электродвигателей
Устройство было разработано для защиты однофазных и трехфазных асинхронных электродвигателей. Но возможно использовать и для отслеживания любой нагрузки.
Токовая защита способна контролировать потребляющий ток по двум фазам с отображением текущего тока на индикаторе. Отображение осуществляется поочередно. Сначала индицируется первая фаза затем другая. Ток, при котором сработает защита, задается в меню настроек от 1А до 39A. С шагом в 1А.
Когда двигатель не запущен естественно тока он не потребляет. Вследствие чего токовая защита переходит в дежурный режим и ожидает появления начального тока. Дежурный режим осуществлен не просто так, а для фиксирования пускового тока (пусковой ток превышает рабочий ток в семь раз). И для того чтобы токовая защита не срабатывала на пусковые токи, в ней реализована возможность регулирования времени от 0 до 5.9сек, c шагом 0.1сек. (при установленном значении “0 “пусковой ток не отслеживается). При фиксации пускового тока на индикаторе отображается отсчет времени в обратной последовательности. И как только время выйдет, токовая защита будет отслеживать, и отображать текущий ток. Как только произойдет отключение электродвигателя, токовая защита автоматически перейдет в дежурный режим.
Также в токовой защите предусмотрена возможность не сразу отключения электродвигателя при превышении заданного тока. К заданному току прибавляется 10% и если ток не превышает то электродвигатель может проработать, то время, которое задал пользователь в меню установок от 0 до 9.9сек. (при установленном значении “0 “защита сработает сразу, как только зафиксирует превышение заданного тока). При превышении тока и 10% токовая защита сработает моментально.
Зафиксировав превышение заданного тока, токовая защита отключит электродвигатель и перейдет в режим аварии. На индикаторе будут периодически мигать три прочерка. Вывести из аварийного состояния можно только одновременным нажатием двух кнопок. Отключением питания вывести из аварийного состояния не удастся, токовая защита запоминает свое состояние. Мне нужно было именно так, чтобы кто попало, не включал его обратно. А дожидался электрика, а он уже в свою очередь определял причину.
В процессе эксплуатации на производстве был замечен некоторый нюанс. После затяжного тяжелого пуска электродвигателя (рабочий ток 25А, пусковое время пришлось делать не менее 15 сек.) что-то происходило с токовым датчиком ACS756. Когда тока не было датчик фиксировал маленький ток. Я подозреваю это связано с самим токовым датчиком ACS756 он на 50А надо было ставить на 100А. При замере токовыми клещами пусковой ток превышал 140А. Я не стал выяснять причину ,на других объектах токовые защиты работали нормально. Там не было такого длительного пуска.
Немного о сборке
Токовые датчики размещены отдельно в своем корпусе (G1906 Корпус). Разъем соединяется четырех жильным экранированным кабелем. В моем случае длина 40см, но можно и больше. К сожалению сами датчики не имеют подходящих выводов, а лишь загнутые медные шинки. Потому припаивал медные провода сечением шесть миллиметров квадратных, сто ватным паяльником. Особых осложнений это не вызвало хотя опасения перегреть датчики были. Для надежного крепления самих датчиков на печатную плату размещены четыре квадратных пятака. Непосредственно на них и припаивается с одной стороны сами датчики.
Корпус для основного устройства был выбран под дин рейку (D4MG Корпус). Габаритные размеры составляют: по длине 71мм, по ширине 90.2мм и по высоте 57.5мм. Можно применить и более дешевый корпус Z100K. Но D4MG имеет более качественный пластик и самое важное он состоит из четырех съемных частей, что очень удобно при сборке. Нижняя плата закрепляется впереди на двух металлических стойках TFF-10мм.M3, а сзади на двух болтах с гайками. Верхняя плата фиксируется на термоклее.
Если понадобится вывести в ноль по току. Настройка осуществляется подбором резисторами R12,R13 (резисторы должны быть как минимум 1%). Устройство содержит симисторный выход, который управляет пускателем (для электродвигателей). При печати платы ток(верх) выставляйте инвертировать.
Источник