Wie können Geräte mit höherem Strom (Motoren, Magnete, Lichter usw.) von einem Arduino gesteuert werden?

Ich bin auf der Suche nach einer breit einsetzbaren Lösung, die an eine Vielzahl von Projekten angepasst werden kann.

Ich arbeite derzeit an mehreren Projekten, für die jeweils eine Steuerung von Geräten im Bereich von 800 mA bis 2A von einem Arduino Uno erforderlich ist. Einer steuert Schrittmotoren, einer 12VDC-Magnetantriebe und einer 12VDC-Pneumatikventile.

Beispielsweise:

Der Arduino überwacht eine Taste, und jedes Mal, wenn die Taste gedrückt wird, wird der Solenoid-Aktuator ausgelöst. Da der Arduino nicht in der Lage ist, den vom Solenoid benötigten Strom zu liefern, ist eine separate Stromversorgung erforderlich, wobei der Arduino einen Schalter (Relais, Transistor usw.) steuert, der den höheren Strom durchlässt. Für den Schrittmotor ist das Layout komplexer, da vier Pins erforderlich wären, um vier separate Schalter zu steuern (um die Interoperabilität der Schaltung aufrechtzuerhalten). Das Relais steuert ein Luftventil und benötigt ebenfalls 12 VDC.

Ich versuche herauszufinden, wie eine einzelne Schaltung in jeder dieser Anwendungen (und in zukünftigen Projekten) verwendet werden kann, bei denen Geräte mit höherem Strom gesteuert werden, als die Arduino-Pins verarbeiten können.

Prototyping-Geschwindigkeit, standardisierte Komponenten und niedrige Kosten sind die treibenden Faktoren. Schaltgeschwindigkeit, Lebensdauer und Geräuschentwicklung sind ebenfalls wichtig.

Gibt es eine Breakout-Platine, einen Schaltkreis oder eine Komponente, die an einen Arduino-Pin angeschlossen und zur Steuerung eines Hochstromgeräts verwendet werden kann? Idealerweise mit einem softwaregesteuerten Potentiometer, damit der Widerstand für verschiedene Projekte in der Skizze selbst eingestellt werden kann.

Um so hohe Ströme zu treiben, müssen Sie möglicherweise mehrere Transistoren kaskadieren (Sie können auch einen Darlington-Transistor verwenden ). In einem Chip sind Darlington-Arrays montiert (z. B. der ULN2803A verfügt über 8 Darlington-Transistoren, ist jedoch auf 500 mA begrenzt).

Sie werden wahrscheinlich mit Transistoren höherer Leistung zu tun haben; Als Beispiel habe ich STMicroelectronics TIP110 gefunden, das das Schalten eines 2A-Stroms (4A-Spitze) unterstützt, aber wahrscheinlich einen Kühlkörper benötigt, um Wärme abzuleiten.

Beachten Sie, dass ich mich frage, ob Ihre Stepper wirklich 2 A Strom benötigen (sind sie so groß?). Für Stepper gibt es im Allgemeinen ICs, mit denen sie problemlos angesteuert werden können, z. B. den L293D, aber dieser kann "nur" 600 mA ansteuern.

Ich befürchte, Sie werden keine "Einheitslösung" finden, da alle Ihre Geräte unterschiedlich sind und von der entsprechenden Schaltung gesteuert werden sollten.

Bearbeiten:

Da Überdimensionierung in Ihrem Prototyping-Fall kein Problem darstellt, könnten Sie anstelle der üblichen Bipolartransistoren einen MOSFET verwenden. Ein MOSFET kann höhere Ströme und Spannungen als Standardtransistoren ansteuern.

Der Nachteil ist , dass Sie es als Schalter nur verwenden können (wie ein Relais zum Beispiel) und damit nicht wirklich fahren die genaue Leistung für Ihre Geräte. Ich vermute, dass das für einen Schrittmotor oder einen Elektromagneten keine Rolle spielt, aber das kann zum Beispiel für das Fahren von Lichtern wichtig sein.

Der gute Punkt ist jedoch, dass Sie weiterhin PWM dafür verwenden können, da die MOSFET-Schaltgeschwindigkeit für solche Zwecke gut genug ist.

Bezüglich des Preises gibt es viele verschiedene Arten von MOSFETs, aber ich denke, Sie können einen finden, der Ihren Bedürfnissen entspricht (12 V, 2A) für weniger als 1 US-Dollar.

Ich rate Ihnen, sich diesen großartigen Artikel zu diesem Thema anzuschauen .

Es gibt viele Möglichkeiten, höhere Lasten zu schalten, und jfpoilpret hat einige gute Optionen beschrieben. Ich fasse einige relaisbasierte Lösungen zusammen, die hauptsächlich für vergleichsweise langsame Schaltgeschwindigkeiten geeignet sind (dh normalerweise nicht für PWM geeignet).

Halbleiterrelais
Halbleiterrelais (SSRs) effektiv auf Halbleiterbasis Switches. Sie sind je nach Ihren Anforderungen in einer Vielzahl von Konfigurationen erhältlich. Entscheidend ist jedoch, dass sie keine beweglichen Teile aufweisen. Dies bedeutet, dass sie bei sachgemäßer Verwendung auf lange Sicht sehr zuverlässig sind.

Intern bestehen sie normalerweise aus MOSFETs und Thyristoren oder ähnlichem. Dadurch können sie theoretisch relativ hohe Schaltgeschwindigkeiten erreichen. In der Praxis ist es jedoch umso schwieriger, schnell zu schalten, je mehr Leistung zur Verfügung steht. Das bedeutet, dass hohe Geschwindigkeit und hohe Leistung ziemlich teuer werden können.

Ein kritischer Faktor, den Sie berücksichtigen sollten, ist, dass Sie normalerweise einen anderen SSR-Typ benötigen, wenn Sie Wechselstrom anstelle von Gleichstrom schalten möchten. Es ist auch zu beachten, dass einige mit einem eingebauten Optokoppler oder ähnlichem geliefert werden, um Ihre Netzteile getrennt zu halten.

Elektromechanische Relais
Dies ist der traditionellere Ansatz. Ein elektromechanisches Relais (EMR) ist eine relativ einfache Komponente, die einen mechanischen Schalter enthält, der von einer elektromagnetischen Spule gesteuert wird. Wenn der Schalter normalerweise offen ist, zieht die Spule ihn zu, wenn ein Steuerstrom angelegt wird. Im Gegensatz dazu würde ein normalerweise geschlossener Schalter geöffnet, wenn ein Steuerstrom angelegt wird.

Es gibt eine Reihe von Vorteilen von EMRs gegenüber Dingen wie SSRs. Am offensichtlichsten sind die Kosten - ihre Einfachheit macht sie recht billig und die Kosten steigen bei Versionen mit höherer Leistung nicht so stark an. Außerdem sind die Steuerung und die Last von Natur aus isoliert, und es ist ihnen egal, ob Sie Wechselstrom oder Gleichstrom schalten.

Es gibt jedoch mehrere Nachteile. Der mechanische Aspekt bedeutet, dass EMRs normalerweise viel langsamer als nicht mechanische Schaltlösungen sind und unter Kontaktsprung leiden können. Außerdem können sie sich physisch abnutzen und durch Stöße, Vibrationen und (möglicherweise) andere Magnetfelder beeinträchtigt werden.

Beim Entwerfen einer Schaltung zur Verwendung einer EMR muss unbedingt die Gegen-EMF (elektromotorische Kraft) berücksichtigt werden. Wenn ein Steuerstrom angelegt wird, wirkt die Spule als Induktor, der Ladung elektromagnetisch speichert. Wenn der Steuerstrom gestoppt wird, kann die gespeicherte Ladung durch den Steuerkreis zurückfließen und eine große negative Spannungsspitze erzeugen (möglicherweise viel größer als ursprünglich angelegt).

Dieser Spike kann leider alle angeschlossenen Komponenten oder Mikrocontroller-Pins beschädigen / zerstören. Dies wird normalerweise verhindert / gemindert, indem eine Diode in Sperrrichtung über die Steuerkontakte des Relais gelegt wird. In diesem Zusammenhang wird es manchmal als Flyback-Diode bezeichnet und ermöglicht die sichere Ableitung der EMF.

Wie bereits erwähnt, eignet sich ein Leistungs-MOSFET hervorragend zum Ein- und Ausschalten der 12-V-Gleichstromversorgung von Geräten, die bis zu 44 A ziehen. Es gibt Dutzende solcher Leistungs-MOSFETs für jeweils weniger als 1 US-Dollar. Es sind teurere MOSFETs erhältlich, die viel höhere Ströme und Spannungen verarbeiten können.

Grundsätzlich ist es möglich, einen Schrittmotor mit einem Mikrocontroller und einer Handvoll Transistoren und einigen anderen Kleinteilen anzutreiben. Viele Leute bevorzugen jedoch die Verwendung eines "Schritttreiber-Chips", so dass es für einen Softwarefehler unmöglich ist, versehentlich Transistoren so einzuschalten, dass die Stromversorgung gegen Masse kurzgeschlossen wird (was normalerweise mindestens 2 Transistoren zerstört). Viele neuere Schritttreiber-Chips unterstützen auch Mikroschritte, Strombegrenzung, thermischen Überlastschutz und andere nützliche Funktionen.

Unter http://reprap.org/wiki/stepper_motor_driver sind alle Stepper-Treiber-Chips aufgeführt, von denen ich je gehört habe, und einige handelsübliche Breakout-Boards, die diese Chips verwenden .

Insbesondere verbinden viele der RepRap-3D-Drucker, die ich gesehen habe, einen Arduino mit vier Pololu-Schrittmotortreibern (jeweils unter 15 US-Dollar), um fünf Schrittmotoren anzutreiben.

Ich habe eine Arduino (Arduino Nano) -Schaltung hergestellt, um einen 12-V-Peltier (der auch eine Hochleistungsquelle ist) mit einem MTP3055V-MOSFET-60-V-12-A-Transistor zu versorgen. Und die Schaltung funktioniert sehr gut.