Làm thế nào các thiết bị hiện tại cao hơn (động cơ, solenoids, đèn, v.v.) có thể được điều khiển bởi Arduino?

Tôi đang tìm kiếm một giải pháp áp dụng rộng rãi, một giải pháp có thể phù hợp với nhiều dự án khác nhau.

Tôi hiện đang làm việc trên một số dự án mà mỗi dự án yêu cầu các thiết bị điều khiển từ 800mA đến 2A từ Arduino Uno. Một điều khiển động cơ bước, một điều khiển bộ truyền động điện từ 12vdc và một điều khiển van khí nén 12vdc.

Ví dụ:

Arduino giám sát một nút và mỗi lần nhấn nút này sẽ kích hoạt bộ truyền động điện từ. Do Arduino không thể cung cấp dòng điện theo yêu cầu của điện từ, nên cần có nguồn cung cấp riêng biệt với Arduino điều khiển một công tắc (rơle, bóng bán dẫn, v.v.) cho phép dòng điện cao hơn đi qua. Đối với động cơ bước, bố trí phức tạp hơn vì cần có bốn chân điều khiển bốn công tắc riêng biệt (để duy trì khả năng tương tác của mạch). Rơle điều khiển một van khí và cũng cần 12vdc.

Tôi đang cố gắng tìm ra cách sử dụng một mạch đơn có thể được sử dụng trong mỗi ứng dụng này (và bất kỳ dự án nào trong tương lai) liên quan đến việc điều khiển các thiết bị hiện tại cao hơn chân Arduino có thể xử lý.

Tốc độ tạo mẫu, các thành phần được tiêu chuẩn hóa và chi phí thấp là những yếu tố thúc đẩy. Chuyển đổi tốc độ, cuộc sống hữu ích và tiếng ồn cũng rất quan trọng.

Có bảng mạch, mạch hoặc thành phần đột phá nào có thể được kết nối với chân Arduino và được sử dụng để điều khiển một thiết bị có dòng điện cao không? Lý tưởng nhất với một chiết áp điều khiển bằng phần mềm để có thể đặt điện trở cho các dự án khác nhau trong bản phác thảo.

Để điều khiển dòng điện cao như vậy, bạn có thể phải xếp tầng cho một số bóng bán dẫn (bạn cũng có thể sử dụng bóng bán dẫn Darlington ). Có các mảng Darlington được gắn trong một con chip (ví dụ: ULN2804A có 8 bóng bán dẫn darlington, nhưng bị giới hạn ở 500mA).

Bạn có thể sẽ phải đối phó với các bóng bán dẫn công suất cao hơn; như một ví dụ tôi đã tìm thấy STMicroelectronics TIP110 có thể hỗ trợ chuyển đổi dòng điện 2A (đỉnh 4A), nhưng có lẽ nó sẽ cần một bộ tản nhiệt để tản nhiệt.

Lưu ý rằng tôi tự hỏi nếu các bước của bạn thực sự cần dòng 2A (chúng có lớn không?). Đối với các bước, bạn thường có thể tìm thấy IC có thể điều khiển chúng dễ dàng, ví dụ L293D nhưng cái này có thể lái "chỉ" 600mA).

Để kết luận, tôi e rằng bạn sẽ không tìm thấy giải pháp "một kích thước phù hợp với tất cả", vì tất cả các thiết bị của bạn đều khác nhau và phải được điều khiển bởi mạch thích hợp.

Chỉnh sửa:

Vì quá khổ không phải là một vấn đề trong trường hợp tạo mẫu của bạn, nên bạn có thể sử dụng MOSFET thay vì các bóng bán dẫn lưỡng cực thông thường. Một MOSFET sẽ có thể điều khiển dòng điện và điện áp cao hơn các bóng bán dẫn tiêu chuẩn.

Nhược điểm là bạn có thể sử dụng nó như chỉ là một công tắc (như ví dụ như một relay) và do đó có thể không thực sự lái xe sức mạnh chính xác cho các thiết bị của bạn. Tôi đoán rằng điều đó không quan trọng đối với động cơ Stepper hoặc Solenoid, nhưng điều đó có thể quan trọng đối với đèn lái xe chẳng hạn.

Tuy nhiên, điểm tốt là bạn vẫn có thể sử dụng PWM vì tốc độ chuyển đổi MOSFET đủ tốt cho các mục đích như vậy.

Về giá cả, có rất nhiều loại MOSFET khác nhau, nhưng tôi đoán bạn có thể tìm thấy một loại phù hợp với nhu cầu của bạn (12V, 2A) với giá dưới 1 đô la.

Tôi khuyên bạn nên xem bài viết tuyệt vời về chủ đề này.

Có rất nhiều cách để chuyển đổi tải cao hơn và jfpoilpret đã mô tả một số tùy chọn tốt. Tôi sẽ tóm tắt một vài giải pháp dựa trên rơle, chủ yếu phù hợp với tốc độ chuyển mạch tương đối chậm (nghĩa là thường không phù hợp với PWM).

Rơle trạng thái
rắn Rơle trạng thái rắn (SSR) là các công tắc dựa trên chất bán dẫn hiệu quả. Chúng có nhiều cấu hình khác nhau, tùy thuộc vào yêu cầu của bạn, nhưng yếu tố chính là chúng không có bộ phận chuyển động. Điều này có nghĩa là chúng có thể rất đáng tin cậy trong thời gian dài nếu được sử dụng đúng cách.

Trong nội bộ, chúng thường bao gồm MOSFET và thyristor hoặc tương tự. Điều này có thể cho phép họ đạt được tốc độ chuyển đổi khá cao trong lý thuyết. Trong thực tế, càng được thiết kế nhiều năng lượng, càng khó chuyển đổi nhanh. Điều đó có nghĩa là tốc độ cao + công suất cao có thể khá tốn kém.

Một yếu tố quan trọng cần lưu ý là bạn thường sẽ cần một loại SSR khác nếu bạn có ý định chuyển đổi AC thay vì DC. Cũng tốt để lưu ý rằng một số sẽ đi kèm với một bộ cách ly quang tích hợp hoặc tương tự để tách nguồn cung cấp năng lượng của bạn.

Rơle điện cơ
Đây là cách tiếp cận 'truyền thống' hơn. Rơle cơ điện (EMR) là một thành phần khá đơn giản, chứa một công tắc cơ, được điều khiển bởi một cuộn dây điện từ. Nếu công tắc thường mở, cuộn dây sẽ đóng lại khi có dòng điều khiển được áp dụng. Ngược lại, một công tắc thường đóng sẽ được mở khi áp dụng dòng điều khiển.

Có một số lợi thế của EMR so với những thứ như SSR. Rõ ràng nhất là chi phí - sự đơn giản của chúng làm cho chúng khá rẻ và chi phí không tăng quá mạnh đối với các phiên bản công suất cao hơn. Ngoài ra, kiểm soát và tải vốn đã bị cô lập và họ không quan tâm bạn đang chuyển đổi AC hay DC.

Có một số nhược điểm mặc dù. Khía cạnh cơ học có nghĩa là EMR thường chậm hơn nhiều so với các giải pháp chuyển mạch phi cơ học và có thể bị va chạm. Ngoài ra, chúng có thể bị hao mòn về mặt vật lý và chúng có thể bị ảnh hưởng bởi những thứ như chấn động, rung động và (có khả năng) các từ trường khác.

Khi thiết kế mạch để sử dụng EMR, điều cần thiết là phải biết về EMF ngược (lực điện động). Khi một dòng điều khiển được áp dụng, cuộn dây hoạt động như một cuộn cảm, lưu trữ điện tích. Khi dừng dòng điều khiển, điện tích được lưu trữ có thể tăng trở lại qua mạch điều khiển, tạo ra một xung điện áp âm lớn (có khả năng lớn hơn nhiều so với điện áp ban đầu).

Spike này không may có thể làm hỏng / phá hủy bất kỳ thành phần đính kèm hoặc chân vi điều khiển. Nó thường được ngăn chặn / giảm thiểu bằng cách đặt một diode đảo ngược trên các tiếp điểm điều khiển của rơle. Trong bối cảnh này, đôi khi nó được gọi là diode flyback và nó cho phép EMF tiêu tan một cách an toàn.

Như jfpoilpret đã nói, một MOSFET công suất rất tốt để BẬT và TẮT nguồn 12 VDC cho các thiết bị có công suất lên tới 44 A. Có hàng chục MOSFET công suất như vậy với giá dưới 1 đô la mỗi cái. Các MOSFET đắt tiền hơn có sẵn có thể xử lý dòng điện và điện áp cao hơn nhiều.

Về nguyên tắc, có thể lái một động cơ bước với một vi điều khiển và một số bóng bán dẫn và một vài bộ phận nhỏ khác. Tuy nhiên, nhiều người thích sử dụng "chip điều khiển bước", do đó không thể có lỗi phần mềm vô tình bật bóng bán dẫn theo cách rút ngắn nguồn điện xuống đất (thường phá hủy ít nhất 2 bóng bán dẫn). Nhiều chip trình điều khiển bước gần đây cũng xử lý vi bước, giới hạn hiện tại, bảo vệ quá tải nhiệt và các tính năng tốt đẹp khác.

Tất cả các chip trình điều khiển bước mà tôi từng nghe nói và một vài bảng đột phá ngoài giá trị sử dụng các chip đó, được liệt kê tại http://reprap.org/wiki/stepper_motor_do .

Đặc biệt, nhiều máy in 3D RepRap mà tôi thấy đã kết nối Arduino với bốn trình điều khiển bước Pololu (dưới 15 đô la mỗi cái) để điều khiển năm động cơ bước.

Tôi đã tạo ra một mạch Arduino (Arduino Nano) để cấp nguồn cho Peltier 12V (cũng là nguồn năng lượng cao.) Sử dụng bóng bán dẫn MTP3055V MOSFET 60V 12A. Và mạch đang hoạt động rất tốt.