Электронная нагрузка на ардуино своими руками

Добавил пользователь Дмитрий К.
Обновлено: 18.09.2024

Как с помощью Ардуино безопасно управлять нагрузкой на напряжении 220 вольт

Для управления цепями переменного тока средств микроконтроллера недостаточно по двум причинам:

1. На выходе микроконтроллера формируется сигнал постоянного напряжения.

2. Ток через пин микроконтроллера обычно ограничен величиной в 20-40 мА.

Мы имеем два варианта коммутации с помощью реле или с помощью симистора. Симистор может быть заменен двумя включенными встречно-параллельно тиристорами (это и есть внутренняя структура симистора). Давайте подробнее рассмотрим это.

Управление нагрузкой 220 В с помощью симистора и микроконтроллера

Внутренняя структура симистора изображена на картинке ниже.

Тиристор работает следующим образом: когда к тиристору приложено напряжение в прямом смещении (плюс к аноду, а минус к катоду) ток через него проходить не будет, пока вы не подадите управляющий импульс на управляющий электрод.

Я написал импульс не просто так. В отличие от транзистора тиристор является ПОЛУУПРАВЛЯЕМЫМ полупроводниковым ключом. Это значит, что при снятии управляющего сигнала ток через тиристор продолжит протекать, т.е. он останется открытым. Чтобы он закрылся нужно прервать ток в цепи или сменить полярность приложенного напряжения.

Это значит, что при удержании положительного импульса на управляющем электроде нужно тиристор в цепи переменного тока будет пропускать только положительную полуволну. Симистор может пропускать ток в обоих направлениях, но т.к. он состоит из двух тиристоров подключенных навстречу друг другу.

Управляющие импульсы по полярности для каждого из внутренних тиристоров должны соответствовать полярности соответствующей полуволны, только при выполнении такого условия через симистор будет протекать переменный ток. На практике такая схема реализована в распространенном симисторном регуляторе мощности.

Как я уже сказал микроконтроллер выдает сигнал только одной полярности, для того чтобы согласовать сигналу нужно использовать драйвер построенный на оптосимисторе.

Таким образом, сигнал включает внутренний светодиод оптопары, она открывает симистор, который и подает управляющий сигнал на силовой симистор T1. В качестве оптодрайвера может быть использован MOC3063 и подобные, например, на фото ниже изображен MOC3041.

Zero crossing circuit – цепь детектора перехода фазы через ноль. Нужна для реализации разного рода симисторных регуляторов на микроконтроллере.

Если схема и без оптодрайвера, где согласование организовано через диодный мост, но в ней, в отличие от предыдущего варианта нет гальванической развязки. Это значит, что при первом же скачке напряжения мост может пробить и высокое напряжение окажется на выводе микроконтроллера, а это плохо.

При включении/выключении мощной нагрузки, особенно индуктивного характера, типа двигателей и электромагнитов возникают всплески напряжения, поэтому параллельно всем полупроводниковым приборам нужно устанавливать снабберную RC цепь.

Научитесь разрабатывать устройства на базе микроконтроллеров и станьте инженером умных устройств с нуля: Инженер умных устройств

Реле и А рдуино

Для управления реле с А рдуино нужно использовать дополнительный транзистор для усиления тока.

Обратите внимание, использован биполярный транзистор обратной проводимости (NPN-структура), это может быть отечественный КТ315 (всеми любимый и всем известный). Диод нужен для гашения всплесков ЭДС самоиндукции в индуктивности, это нужно чтобы транзистор не вышел из строя от высокого приложенного напряжения. Почему это возникает, объяснит закон коммутации: "Ток в индуктивности не может измениться мгновенно".

А при закрытии транзистора (снятии управляющего импульса) энергии магнитного поля накопленной в катушке реле необходимо куда-то деваться, поэтому и устанавливают обратный диод. Еще раз отмечу, что диод подключен в ОБРАТНОМ направлении, т.е. катодом к плюсу, анодом к минусу.

Такую схему можно собрать своими руками, что значительно дешевле, плюс вы можете использовать реле, рассчитанное на любое постоянное напряжение.

Или купить готовый модуль или целый шилд с реле для Ардуино :

На фото изображен самодельный шилд, кстати, в нем использованы для усиления тока КТ315Г, а ниже вы видите такой же шилд заводского исполнения:

Это 4-канальные шилды, т.е. вы можете включать целых четыре линии 220 В. Подробно о шилдах и реле мы уже выкладывали статью на сайте - Полезные шилды для Ардуино

Схема подключения нагрузки на напряжении 220 В к Ардуино через реле:

Заключение

Безопасное управление нагрузкой переменного тока подразумевает прежде всего безопасность для микроконтроллера вся описанная выше информация справедлива для любого микроконтроллера, а не только платы Ардуино .

Главная задача – обеспечить нужные напряжение и ток для управления симистором или реле и гальваническая развязка цепей управления и силовой цепи переменного тока.

Кроме безопасности для микроконтроллера, таким образом, вы подстраховываете себя, чтобы при обслуживании не получить электротравму. При работе с высоким напряжением нужно соблюдать все правила техники безопасности, соблюдать ПУЭ и ПТЭЭП.

Эти схемы можно использовать и для управления мощными пускателями и контакторами. Симисторы и реле в таком случае выступают в роли промежуточного усилителя и согласователя сигналов. На мощных коммутационных приборах большие токи управления катушкой и зависят непосредственно от мощности контактора или пускателя.

Расскажу о полезном для радиолюбителей устройстве – о токовой электронной нагрузке с возможностью измерения емкости аккумуляторов. Зачем нужен этот прибор?

Все сталкивались с ситуацией, когда надо выяснить параметры какого-нибудь источника питания, например, лабораторного БП, драйвера светодиодов или зарядноо устройства. Ведь практика показывает, что производители не всегда указывают верные параметры. Конечно, есть самый простой вариант - нагрузить резистором, рассчитанным по закону Ома, и измерить ток с помощью мультиметра. Но для каждого случая надо делать свои расчеты и не всегда можно найти мощный резистор нужного номинала, они довольно дороги. Целесообразнее использовать электронную или активную нагрузку, позволяющую нагрузить любой БП или аккумулятор, и регулировать ток нагрузки обычным потенциометром.

А за счет включения в схему многофункционального цифрового ваттметра, показывающего емкость, этот нагрузочный стенд может разрядить аккумулятор и показать его реальную мощность. Кстати, в отличие от IMAX 6 наша система может разряжать аккумуляторы с током до 40А. Это удобно для автомобильных аккумуляторов.

Схема построена на сдвоенном операционном усилителе (ОУ) LM358, хотя задействован только 1 элемент.

Датчиком тока является мощный резистор R12, желательно на 40Вт, хотя я поставил на 20Вт. Можно соединить параллельно несколько резисторов для получения нужной мощности так, чтобы итоговое сопротивление было равно 0.1 Ом. R10 и R11 (0.22 Ом/ 10Вт) - токовыравнивающие элементы для силовых ключей.У меня реально стоят параллельно 2 х 0.47 Ом / 5Вт для каждого транзистора.

ОУ управляет двумя составными транзисторами КТ827, установленными на отдельные радиаторы. Транзисторы оптимальны для этой схемы, хотя и довольно дорогие.

Принцип работы.

При подключении тестируемого устройства образуется падение напряжения на мощном токовом резисторе R12, соответственно меняется напряжение на входах ОУ, следовательно, и на его выходе. В итоге, сигнал поступающий на транзисторы зависит от падения напряжения на шунте. Изменится ток протекающий по транзисторам.

Потенциометром изменяем напряжение на неинвертирующем входе ОУ и также как описано выше изменяется ток через по транзисторы. Данные транзисторы позволяют работать с токами до 40А, но требуют хорошего охлаждения, т.к. они работают в линейном режиме. Поэтому, кроме массивных радиаторов я поставил вентилятор, с регулировкой оборотов, который можно включить отдельной кнопкой. Схема регулятора оборотов собрана на небольшой плате.

Теоретически максимальное входное напряжение может быть до 100В – транзисторы выдержат, но китайский ваттметр рассчитан только до 60В.

Кнопка S1 изменяет чувствительность ОУ, т.е. переключает на малые токи для точного измерения тестируемых маломощных источников.

Важные особенности данной схемы:

наличие обратной связи для обоих транзисторов,
возможность изменения чувствительности ОУ.
грубая и тонкая регулировка тока (R5 и R6).

Трансформатор в схеме питает только ОУ и блок индикаторов, подойдет любой с током от 400мА и напряжением 15-20В, все равно напряжение потом стабилизируется до 12В линейным стабилизатором 7812. Его нет необходимости ставить на радиатор.

Собрал все в корпус от лабораторного БП PS 1502 за пару дней, с учетом разработки и травления платы.

Минусом этой схемы является отсутствие защиты от переполюсовки питания, но ее можно доработать. Также в дальнейшем добавлю токовую защиту, а пока стоит только предохранитель. При желании увеличить общий ток можно добавить еще пару транзисторов КТ827.

Купить электронную нагрузку
Купить ваттметр
Купить LM358
Купить резисторы 0,22R
Купить составные транзисторы

Управление нагрузкой с помощью микроконтроллера Arduino.

Для управления электромоторами, шаговыми двигателями, сервоприводами, RGB светодиодами часто используются напряжение на 5В, 12В, 24В, 36В. Все это в большинстве случаев использовать напрямую не получится. Потребуется схема для управления, частотный преобразователь или контроллер. Или все вместе в зависимости от потребности и масштаба проекта.

Выходы Arduino в прямом подключении не смогут обеспечить такого тока и напряжения. К тому же выходной ток вывода Arduino ограничивается, как правило, 40 мА. Для расширения диапазонов тока и напряжения используют реле или транзисторы.

В этой статье мы рассмотрим, как управлять транзистором с помощью Arduino.

Для управления транзистором нам понадобятся:

Контроллер Arduino Nano. Или любой другой.
Транзистор AP9575GH в корпусе TO-252 1 шт. Или другой.
Резистор сопротивлением 100 Ом 1шт.
Резистор сопротивлением 10 Ком 1шт.
Диод 1n4001 1 шт.
Провода.

Эта крайне простая схема позволит в разы увеличить ток и напряжение, которым может оперировать микроконтроллер. Собрать такую схему можно как на макетной плате, так и навесным монтажом.

Типовая схема подключения транзистора к микроконтроллеру Ардуино:

Как видите приведено две схемы:

Для индуктивной нагрузки – электромоторы, электрические клапаны и т.д;
Для активной нагрузки – лампы накаливания,различные светодиоды, нагревательные элементы, и т.д.

При активной нагрузке диод из схемы можно исключить.

Резистор R2 необходим для подтяжки низкого уровня. Для гарантированного закрытия транзистора при отсутствии сигнала от микроконтроллера.

Резистор R1 используется для устранения кратковременных выбросов тока и защитит порт контроллера в случае пробоя мосфета.

В нашем случае используется компьютерный кулер. Это индуктивная нагрузка, значит, необходим защитный диод. Используем потенциометр для управления частотой вращения вентилятора.

Типовая схема подключения потенциометра к Ардуино:

Схема подключения, дополненная потенциометром, следующая:

И визуализация этой схемы:

В нашем случае использовалась компактная плата Arduino Nano:

И удобный переходник с винтовыми зажимами для нее:

Сборка производилась навесным монтажом:

Управляющая программа так же крайне проста.

Для тестирования БП очень удобно пользоваться электронной нагрузкой. Для этих целей я заказал готовое устройство на Али. Но что-то пошло не так и уже месяца 3 я не могу получить заказанное устройство. Кроме того я заказал нагрузку без индикации параметров. Поискал на просторах интернета и на сайте нашел не сложную для повторения электронную нагрузку на ардуино. Еще на сайтах пяти я нашел перепечатку данной статьи с переводами и без.

Вложения:

Для тестирования БП очень удобно пользоваться электронной нагрузкой.

но вот использование 12=разрядного ЦАП (MCP4921- E/P) для такой цели — считаю перебор..

почему нельзя обойтись ШИМом с ардуины и дешевеньким интегратором (управление тем же источником тока на ОУ и мосфете).

Мне понравилась статья. Я повторил со своими доработками. Выложил результат.

Предоставьте рабочую схему на ШИМе с интегратором и кодом. Чтобы обеспечивал линейное приращение тока по 100 мА в диапазоне 0 — 5 А. Кто захочет повторить, выберет вашу схему или с ЦАПом.

Чтобы обеспечивал линейное приращение тока по 100 мА в диапазоне 0 — 5 А.

Весь вопрос — с какой приемлемой для практики точностью.

На ЦАПе можно выставлять управляющее напряжение (шаг) с точностью до 5В/4095 = 1,22 мВ

Если использовать ШИМ — имеем примерно (шаг) 5В/255 = 19,6 мВ..

Вопрос — хватит такой точности.

Вы зашли со мной поговорить или что-то предложить?

У меня уже есть электронная нагрузка. Мне вторая не нужна. Предложите свое решение для остальных участников форума. Спросите что людям необходимо.

Спросите что людям необходимо.

так я и спрашиваю:

хватит такой точности.

Вы привели не корректное сравнение.

ЦАП выдает непосредственно напряжение. А ШИМ импульсы, которые надо еще интегрировать. А простой интегратор на конденсаторе не выдаст линейность во всем диапазоне, хорошо если треть диапазона. Или вы будете строить сложный интегратор, чтобы весь диапазон. А стоит ли тогда игра свеч?

Я лет 10 назад пробовал АЦП 16 бит на Атмеге сделать. Интегрирующий на конденсаторе. Так не по наслышке про линейность знаю.

Итого в сухом остатке:

Предположим 1/3 диапазона. Значит не 255, а 255/3=85.

4095/85= 48 с остатком.

Грубо говоря в 50 раз хуже чем на ЦАП. Не, меня не устроит. С ЦАПом не скажу что все радужно, вносят нелинейность ОУ с мосфетом.

Так что без меня.

Мне понравилась статья. Я повторил со своими доработками. Выложил результат.

спасибо что поделились наработанным материалом..

А ШИМ импульсы, которые надо еще интегрировать. А простой интегратор на конденсаторе не выдаст линейность во всем диапазоне, хорошо если треть диапазона.

Вложения:

Предположим 1/3 диапазона. Значит не 255, а 255/3=85. 4095/85= 48 с остатком.

как то вы не так считаете..

графики, что вверху это элементарная интегрирующая цепь с R=100k и С=1мкФ..

ШИМ обычный, из одного из портов ардуины — частота около 500 Гц, скважность меняется от 8 мкС (около) до 1992 мкС (около).. при этом на выходе имеем напряжение от 20 мВ до 4,966 В.. и линейность очень приличная..

Схема которую я повторил имеет действительно неплохую линейность. Первый отсчет 105 мА (при заданных 100), последний 4,95 А (при заданных 5 А). Можно еще поколдовать и откалибровать лучше.

Какова будет линейность вашей схемы? Вы навыдергивали графиков, ничего не пояснили. На форуме обычные люди, не телепаты. Два графика с очень большой нелинейностью.

Вы приводите цифры от 20 мВ до 4,966 В. Уже не от нуля. Что такое приличная линейность? На сколько она приличная? Цифры где?

Вы наверно не поняли фишки данной схемы. В ней можно задать ток без подключения БП. После подключения нагрузки к БП заданный ток и реально протекающий совпадут. И погрешность будет маленькой. Причем благодаря использованию ЦАП результат мало зависит от окружающих условий в разумных пределах. А как поплывет интегрирующая цепочка от изменений окружающей температуры?

Там применена емкость 470 мкФ и Драйвер МОП-транзистора. И человек это не с потолка взял.

Но вы не соизволили поискать что уже сделано и сделать какие-то выводы , а начали задавать вопросы.

С каждым вашим вопросом я все больше убеждаюсь, что дальше рассуждений вы не пойдете. И готового устройства мы от вас не увидим.

Вы наверно не поняли фишки данной схемы

в схеме из поста 21792 фишка схемного решения — источник тока (собранный на IC2A и мосфете Q1) управляемый напряжением на неинвертирующем входе с делителя R3 R4, которое поступает туда (на делитель) с выхода ЦАПа, а ЦАПом управляет контроллер по SPI интерфейсу.. в качестве обратной связи контроллер использует сигнал (напряжение) с выхода УПТ, выполненного на ОУ IC2B по схеме неинвертирующего усилителя с коэффициентом передачи (усиления) равном 6.. ардуина так же контролирует напряжение источника питания..

Вы навыдергивали графиков, ничего не пояснили. На форуме обычные люди, не телепаты.

да что там пояснять — все элементарно… приведены графики для трех случаев с минимальной длительностью ШИМа условно 1% длительность импульса и 99% длительность паузы, с длительностью 50% импульс и 50% пауза, и максимального ШИМа условно 99% длительность импульса и 1% длительность паузы..

при минимальном ШИМе на выходе интегратора (на конденсаторе 1мкФ) имеем 20 мВ (примерно), при 50% на 50% — напряжение на выходе 2,504, при максимальном ШИМе — на выходе 4,966 В.. цифры приведены на графиках, при желании можно подсчитать получившуюся нелинейность..

Читайте также: