Подключение оптопары к микроконтроллеру: схема и программа на С

062-Как подключить к микроконтроллеру нагрузку? — GetChip.net

В следующих статьях будут устройства, которые должны управлять внешней нагрузкой. Под внешней нагрузкой я понимаю все, что прицеплено к ножкам микроконтроллера – светодиоды, лампочки, реле, двигатели, исполнительные устройства … ну Вы поняли. И как бы не была заезжена данная тема, но, чтобы избежать повторений в следующих статьях, я все-же рискну быть не оригинальным — Вы уж меня простите :). Я кратенько, в рекомендательной форме, покажу наиболее распространенные способы подключения нагрузки (если Вы  что-то захотите добавить – буду только рад).
Сразу договоримся, что речь идет о цифровом сигнале (микроконтроллер все-таки цифровое устройство) и не будем отходить от общей логики: 1-включено, 0-выключено. Начнем.

 

1 НАГРУЗКА ПОСТОЯННОГО ТОКА.
Нагрузкой постоянного тока являются: светодиоды, лампы, реле, двигатели постоянного тока, сервоприводы, различные исполнительные устройства и т.

д. Такая нагрузка наиболее просто (и наиболее часто) подключается к микроконтроллеру.

1.1 Подключение нагрузки через резистор.
Самый простой и, наверно, чаще всего используемый способ, если речь идет о светодиодах.

Резистор нужен для того, чтобы ограничить ток протекающий, через ножку микроконтроллера до допустимых 20мА. Его называют балластным или гасящим. Примерно рассчитать величину резистора можно зная сопротивление нагрузки Rн.

Rгасящий = (5v / 0.02A) – Rн = 250 – Rн [Om]

Как видно, даже в самом худшем случае, когда сопротивление нагрузки равно нулю достаточно 250 Ом для того, что бы ток не превысил 20мА. А значит, если неохота чего-то там считать — ставьте 300 Ом и Вы защитите порт от перегрузки. Достоинство способа очевидно – простота.

1.2 Подключение нагрузки при помощи биполярного транзистора.

Если так случилась, что Ваша нагрузка потребляет более 20мА, то, ясное дело, резистор тут не поможет. Нужно как-то увеличить (читай усилить) ток. Что применяют для усиления сигнала? Правильно. Транзистор!

Для усиления удобней применять n-p-n транзистор, включенный по схеме ОЭ. При таком способе можно подключать нагрузку с большим напряжением питания, чем питание микроконтроллера. Резистор на базе – ограничительный. Может варьироваться в широких пределах (1-10 кОм), в любом случае транзистор будет работать в режиме насыщения. Транзистор может быть любой n-p-n транзистор. Коэффициент усиления, практически не имеет значения. Выбирается транзистор по току коллектора (нужный нам ток) и напряжению коллектор-эмиттер (напряжение которым запитывается нагрузка). Еще имеет значение рассеиваемая мощность — чтоб не перегрелся.

Из распространенных и легко доступных можно заюзать BC546, BC547, BC548, BC549 с любыми буквами (100мА), да и тот-же КТ315 сойдет (это у кого со старых запасов остались).
BC547.pdf (10860 Загрузок)

1.3 Подключение нагрузки при помощи полевого транзистора.
Ну а если ток нашей нагрузки лежит в пределах десятка ампер? Биполярный транзистор применить не получиться, так как токи управления таким транзистором велики и скорей всего превысят 20мА. Выходом может служить или составной транзистор (читать ниже) или полевой транзистор (он же МОП, он же MOSFET). Полевой транзистор просто замечательная штука, так как он управляется не током, а потенциалом на затворе. Это делает возможным микроскопическим током на затворе управлять большими токами нагрузки.

Для нас подойдет любой n-канальный полевой транзистор. Выбираем, как и биполярный, по току, напряжению и рассеиваемой мощности.

При включении полевого транзистора нужно учесть ряд моментов:
— так как затвор, фактически, является конденсатором, то в моменты переключения транзистора через него текут большие токи (кратковременно). Для того чтобы ограничить эти токи в затвор ставиться ограничивающий резистор.
— транзистор управляется малыми токами и если выход микроконтроллера, к которому подключен затвор, окажется в высокоимпедансном Z-состоянии полевик начнет открываться-закрываться непредсказуемо, вылавливая помехи. Для устранения такого поведения ножку микроконтроллера нужно «прижать» к земле резистором порядка 10кОм.
У полевого транзистора на фоне всех его положительных качеств есть недостаток. Платой за управление малым током является медлительность транзистора. ШИМ, конечно, он потянет, но на превышение допустимой частоты он Вам ответит перегревом.

Для применения можно порекомендовать мощные транзисторы IRF630, IRF640. Их часто используют и поэтому их легко достать.
IRF640.pdf (18217 Загрузок)

1.4 Подключение нагрузки при помощи составного транзистора Дарлингтона.
Альтернативой применения полевого транзистора при сильноточной нагрузке является применение составного транзистора Дарлингтона. Внешне это такой-же транзистор, как скажем, биполярный, но внутри для управления мощным выходным транзистором используется предварительная усилительная схема. Это позволяет малыми токами управлять мощной нагрузкой. Применение транзистора Дарлингтона не так интересно, как применение сборки таких транзисторов. Есть такая замечательная микросхема как ULN2003. В ее составе аж 7 транзисторов Дарлингтона, причем каждый можно нагрузить током до 500мА, причем их можно включать параллельно для увеличения тока.

Микросхема очень легко подключается к микроконтроллеру (просто ножка к ножке) имеет удобную разводку (вход напротив выхода) и не требует дополнительной обвязки. В результате такой удачной конструкции ULN2003 широко используется в радиолюбительской практике. Соответственно достать ее не составит труда.
ULN2003.pdf (19974 Загрузки)

 

2 НАГРУЗКА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
Если Вам нужно управлять устройствами переменного тока (чаще всего 220v), то тут все сложней, но не на много.

2.1 Подключение нагрузки при помощи реле.
Самым простым и, наверное, самым надежным есть подключение при помощи реле. Катушка реле, сама собой, является сильноточной нагрузкой, поэтому напрямую к микроконтроллеру ее не включишь. Реле можно подключить через транзистор полевой или биполярный или через туже ULN2003, если нужно несколько каналов.

Достоинства такого способа большой коммутируемый ток (зависит от выбранного реле), гальваническая развязка. Недостатки: ограниченная скорость/частота включения и механический износ деталей.
Что-то рекомендовать для применения не имеет смысла — реле много, выбирайте по нужным параметрам и цене.

2.2 Подключение нагрузки при помощи симистора (триака).
Если нужно управлять мощной нагрузкой переменного тока а особенно если нужно управлять мощностью выдаваемой на нагрузку (димеры), то Вам просто не обойтись без применения симистора (или триака). Симистор открывается коротким импульсом тока через управляющий электрод (причем как для отрицательной, так и для положительной полуволны  напряжения). Закрывается симистор сам, в момент отсутствия напряжения на нем (при переходе напряжения через ноль).

Вот тут начинаются сложности. Микроконтроллер должен контролировать момент перехода через ноль напряжения и в точно определенный момент подавать импульс для открытия симистора — это постоянная занятость контроллера. Еще одна сложность это отсутствие гальванической развязки у симистора. Приходится ее делать на отдельных элементах усложняя схему.

Хотя современные симисторы управляются довольно малым током и их можно подключить напрямую (через ограничительный резистор) к микроконтроллеру, из соображений безопасности приходится их включать через оптические развязывающие приборы. Причем это касается не только цепей управления симистором, но и цепей контроля нуля.

Довольно неоднозначный способ подключения нагрузки. Так как с одной стороны требует активного участия микроконтроллера и относительно сложного схемотехнического решения. С другой стороны позволяет очень гибко манипулировать нагрузкой. Еще один недостаток применения симисторов — большое количество цифрового шума, создаваемого при их работе — нужны цепи подавления.

Симисторы довольно широко используются, а в некоторых областях просто незаменимы, поэтому достать их не составляет каких либо проблем. Очень часто в радиолюбительстве применяют симисторы  типа BT138.
BT138.pdf (6814 Загрузок)

2.3 Подключение нагрузки при помощи твердотельного реле.
С недавних пор у радиолюбителей появилась очень замечательная штука — твердотельные реле. Представляют они из себя оптические приборы (еще их называют оптореле), с одной стороны, в общем случае, стоит светодиод, а с другой полевой транзистор со светочувствительным затвором. Управляется эта штука малым током, а манипулировать может значительной нагрузкой.

Подключать твердотельное реле к микроконтроллеру очень просто — как светодиод — через резистор.

Достоинства налицо: малые размеры, отсутствие механического износа, возможность манипулировать большим током и напряжением и самое главное оптическая развязка от опасного напряжения. Нагрузка может быть как постоянного, так и переменного тока в зависимости от конструкции реле. Из недостатков следует отметить относительную медлительность (чаще всего для коммутации используется полевик) и довольно значительную стоимость реле.

Если не гнаться за завышенными характеристиками можно подобрать себе прибор по приемлемой цене. Например, реле CPC1030N управляется током от 2мА, при этом способно коммутировать нагрузку переменного и постоянного тока 120мА и 350v (очень полезная для радиолюбителей вещь!)
CPC1030N.pdf (Одна Загрузка)

 

(Visited 162 974 times, 6 visits today)

ЧАСТО ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ СХЕМЫ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ.

 

            В этой схеме резистор R предназначен для ограничения тока в светодиоде HL до допустимого уровня. При логическом «0» на выводе светодиод не светится, а (при логической «1» на выводе) светодиод светится. В зависимости от программы(записанной в микроконтроллер) возможны различные режимы управления светодиодом : постоянного свечения светодиода, мигающего свечения светодиода .

1.2. Схема с возможностью увеличения тока , когда величины тока с вывода микроконтроллера RA 1 недостаточно для зажигания светодиода HL0. Схема использует в качестве усилителя транзистор VT1 , работающий в ключевом режиме.

 

Величина резистора R1 должна обеспечивать режим насыщения транзистора во включённом состоянии. Резистор R2 задаёт величину тока, необходимую для нормального свечения светодиода.

2. Схема подключения динамика.

 

        Конденсатор C не пропускает постоянный ток в динамик ,но пропускает переменный сигнал. Частота переменного сигнала выбирается в диапазоне частот слышимых человеческим ухом. Под управлением программы микроконтроллер генерирует на выводе RА1 прямоугольные однополярные импульсы, имеющие амплитуду около 5 В. Звук динамика может быть непрерывным , или прерывистым (зависит от программы). Для мощного громкоговорителя или сирены используется усилитель.

3. Схема подключения реле.

 

      Диод VD1 уменьшает ток с обмотки реле при отключении. На обмотке реле К1 может возникнуть напряжение опасное по уровню для МОП – структуры вывода RА1. При логической «1» ( около 5 В) реле срабатывает, замыкая контакт К1. Реле находится в сработанном состоянии, пока микроконтроллер не установит на выводе RА1 напряжение около «0» логический «0». Рабочий ток обмотки реле должен быть допустимым для вывода RА1. Если требуется для реле больший ток ,то применяется транзисторный ключ между микроконтроллером и реле. Если нужно управлять группой реле ,то часто для управления используют такую схему :

       В схеме используется интегральный усилитель ULN 2803.

4. Схема управления нагрузкой в цепи постоянного тока.

 

           Оптопары DD1 и DD2 гальванически развязывают микроконтроллер и цепь питания нагрузки. Управление нагрузкой в цепи постоянного тока осуществляет тиристор. Открываются тиристор с помощью управляющего электрода. С вывода микроконтроллера RB1 производится открытие тиристора VT1, а с RB2 — закрытие. Последовательность действий на выводах микроконтроллера (выше приведенной схемы) для управления нагрузкой:

 

             Импульс на выводе RB1 в момент времени t1 открывает тиристор VT1 и в нагрузке появляется ток IH (лампа L светится). Импульс на выводе RB2 через оптопару DD2 открывает транзистор VT2 (шунтируя тиристор). Тиристор закрывается и после закрытия транзистора VT2 в момент t2 , в нагрузке ток становится равным нулю. Стабилитрон VD ограничивает напряжение на оптопарах до допустимого уровня, а цепочка R7–C уменьшает крутизну изменения напряжения на тиристоре ( предотвращая ложное открытие тиристора).

5. Схема управления нагрузкой в цепи переменного тока.

Для управления нагрузкой при переменном токе используются симисторы.

 

           Импульс на выводе микроконтроллера RB1 открывает симистор оптопары DD, который открывает симистор VT. Если на выводе RB1 будет постоянное напряжение близкое к 5 В (логическая 1) , то симисторы будут открываться в начале каждой половины напряжения сети. При наличии на выходе RB1 коротких импульсов их надо синхронизировать с напряжением сети (особенность работы тиристоров) в сети переменного тока.

6. Схема управления цифровым 7– сегментным индикатором.

 

            На схеме семь одиночных светодиодов (7-сегментного индикатора) катодами подключены к минусу источника питания .Это схема с общим катодом. Используется семь выводов микроконтроллера (RB1-RB7) для управления каждым сегментом индикатора. Программа микроконтроллера отправляет код цифры в порт.

     Индикатор можно использовать и для отображения некоторых букв : d,b,c,o,P,C,E формируя для этого нужные коды.

7. Схема управляющая АЦП (аналого-цифровым преобразователем).

                 Напряжение имеют аналоговую форму (0-5 В), которое нужно преобразовать в цифровой код. Показана схема управления АЦП типа ADC0831 с последовательным интерфейсом.

 

                   Измеряемая величина, поступает на вход V in . С последовательного выхода передается цифровой код измеренной величины. Управляется АЦП по трем линиям:

CLK – передача тактовых импульсов от микроконтроллера к АЦП;
DO – передача цифрового значения измеряемой величины (цифровой код с выхода DO передаётся в микроконтроллер, начиная со старшего разряда.)
cs – разрешить АЦП работать (выбор кристалла).

             Масштаб преобразований зависит от величины опорного напряжения Vref . Выходной код АЦП (ADC 0831) равен (0- 255) , для измеряемой величины в 5В этот код будет 255.

8. Схема управляющая шаговым двигателем.

                                Наиболее распространены униполярные двигатели с четырьмя обмотками на статоре (к обмоткам прикладывается напряжение одной полярности). Для проворачивания ротора на обмотки двигателя подаётся последовательность упорядоченных импульсов. Ротор вращается не непрерывно, а скачками на единицу углового перемещения. Применяется микросхема ULN 2003.

                    Последовательность импульсов (подаваемая на обмотки) согласно таблице ( от шага 1 к шагу 4) — вращение в одну сторону.  Если подавать импульсы (от шага 4 к шагу 1), то будет вращение в противоположную сторону.

9. Схема управляющая жидко- кристаллическим индикатором (ЖКИ).

 

                Жидко – кристаллический индикатор (ЖКИ) имеет встроенный контроллер и генератор символов. ЖКИ находится в режиме записи (R/W=0). Вывод V0 используется для управления контрастностью отображения на экране. При V0=0 контрастность максимальна. Микроконтроллер ,через RS ввод ЖКИ, сообщает какую информацию он передаёт (коды символов или коды команд). На вход E микроконтроллер подаёт разрешение ЖКИ — работать. Коды команд и символов передаются по 4 –м линиям на входы ЖКИ (DB4-DB7). Вначале производится инициализации . Затем производится переход из 8 –битового режима в 4 –битовый режим. После этого подаётся разрешающий сигнал на вход E.

10. Схема управления термодатчиком для контроля температуры.

                  Используется однопроводной интерфейс (1 –Wire Bus) для передачи данных (по одной линии). Датчик измеряет температуру от -55 до 125. Информация о температуре выдаётся 9 –битовым кодом. Принцип работы термодатчика основан на сравнении частот двух внутренних генераторов. Один генератор выдаёт постоянную частоту независимо от температуры, а частота второго генератора изменяется в зависимости от температуры корпуса термодатчика. Для управления датчиком используется команды (определения числа и типов термодатчиков, генерация в линию идентификационного номера, подтверждение выбора определенного датчика, начало преобразования температуры, запись результата, питание от линии). Передача данных по однопроводной линии выполняется паузами различной длительности. Если пауза до 15 мкс, то это логическая «1», а если пауза длиннее 15 мкс, но меньше 60 мкс, то это логический «0». Обнуление линии осуществляется паузой в 480-960 мкс.

 

7.4 Подключение оптопары Микроконтроллеры PIC

7.4 Оптопары

Оптопары были открыты сразу после фототранзисторов (как и любой другой транзистор, за исключением того, что он возбуждается светом), путем объединения светодиода и фототранзистора в одном корпусе. Целью оптопары является разделение двух частей цепи.

Это делается по ряду причин:

• Помехи . Типичными примерами являются промышленные устройства с большим количеством помех, влияющих на сигналы в проводах. Если бы эти помехи повлияли на работу секции управления, возникли бы ошибки, и установка перестала бы работать.

• Одновременное разделение и усиление сигнала . Типичными примерами являются реле, которым требуется более высокий ток, чем может обеспечить вывод микроконтроллера. Обычно оптопара используется для разделения питания микроконтроллера и питания реле.

• В случае поломки оптронная часть устройства остается в корпусе, что снижает затраты на ремонт.

Оптопары могут использоваться как устройства ввода или вывода. Они могут иметь дополнительные функции, такие как усиление сигнала или триггер Шмитта (выход триггера Шмитта равен 0 или 1 – он изменяет медленные нарастающие и падающие сигналы на определенные низкие или высокие значения). Оптопары поставляются в виде одного блока или группами по два или более в одном корпусе.
Для работы каждой оптопары требуется два источника питания. Их можно использовать с одним источником питания, но функция изоляции напряжения, которая является их основным назначением, теряется.

7.4.1 Оптопара на входной линии

Принцип работы прост: при поступлении сигнала включается светодиод внутри оптрона, который освещает базу фототранзистора в том же корпусе. Когда транзистор активирован, напряжение между коллектором и эмиттером падает до 0,7 В или ниже, и микроконтроллер воспринимает это как логический ноль на своем выводе RA4.

Пример ниже представляет собой упрощенную модель счетчика, элемент, широко используемый в промышленности (используется для подсчета продукции на производственной линии, определения скорости двигателя, подсчета количества оборотов оси и т. д.). У нас будет датчик, отключающий светодиод каждый раз, когда ось делает полный оборот. Светодиод в свою очередь через фототранзистор “подаст” сигнал на вход микроконтроллера RA4 (TOCKI). Поскольку в этом примере предварительный делитель установлен на 1:2, каждый второй сигнал будет увеличивать TMR0. Текущее состояние счетчика отображается на светодиодах PORTB.

Пример оптопары на входной линии

7.4.2 Оптопара на выходной линии

Оптопара также может использоваться для разделения выходных сигналов. Если светодиод оптопары подключен к выводу микроконтроллера, логический ноль на выводе активирует светодиод оптопары, тем самым активируя транзистор. Это, следовательно, включит светодиод в части устройства, работающей от 12В. Схема этого соединения показана ниже.

Ex достаточное количество оптопары на выходной линии

Программа для этого примера проста. Подав логическую единицу на третий вывод порта А, транзистор в оптроне активируется, включив светодиод в части устройства, работающей от 12В.

Буферизация сигнала цифрового микроконтроллера для подключения к оптрону

Задавать вопрос

спросил 5 лет, 6 месяцев назад

Изменено 2 года, 7 месяцев назад

Просмотрено 5к раз

\$\начало группы\$

Я часто работаю над проектами, в которых использую оптопары для изоляции цифровых управляющих сигналов +5 В постоянного тока (например, от микроконтроллера) от остальной схемы. Однако, поскольку они работают, зажигая светодиод внутри устройства, на выводы микроконтроллера может приходиться нагрузка в несколько десятков миллиампер. Я ищу совета о том, что было бы наилучшей практикой для буферизации этого управляющего сигнала с помощью дополнительной ступени, чтобы микроконтроллер эффективно видел высокий импеданс и тем самым уменьшал ток, который он должен обеспечить?

Просто по наивности я могу придумать несколько вещей, которые могут сработать:

1. Просто используйте операционный усилитель в качестве буферного усилителя с единичным коэффициентом усиления.

2. Используйте специальную микросхему компаратора для сравнения входного сигнала, например, с +2,5 В постоянного тока.

3. Используйте МОП-транзистор в качестве усилителя сигнала.

Однако, немного почитав, я наткнулся на целую кучу микросхем, которые никогда раньше не использовал, но похоже, что они предназначены для такого рода вещей. Например:

• Драйвер дифференциальной линии (MC3487)
• Приемник дифференциальной линии (DC90C032)
• Линейный трансивер (SN65MLVD040)
• Буферные затворы и приводы (SN74LS07, SN74ABT126)

У меня действительно нет опыта ни с одним из них, и я немного ошеломлен количеством доступного материала! Так может ли кто-нибудь помочь мне узнать различия между этими устройствами, и какие из них подходят / не подходят в этом случае. Есть ли лучший/стандартный способ достижения того, что я описываю?

edit:
Так как я могу переключаться примерно на x30 выходов, я не хочу вообще беспокоиться о загрузке микроконтроллеров, и поэтому не буду рассматривать подключение напрямую к контактам DIO. Поэтому я думаю, что я выберу микросхему с логическим буфером. Я собираюсь попробовать использовать SN74LVC1G125 “ Single Bus Buffer Gate With 3-State Output ” для каждого входа и посмотреть, как это работает.

• микроконтроллер
• цифровая логика
• оптоизолятор
• ttl
• буфер

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

У вас есть много вариантов.

1. Если вам нужно подключить очень мало оптронов, вы можете подключить их напрямую к GPIO вашего микроконтроллера (через резистор), при условии, что:

   • Вы не превышаете выходной ток GPIO.
   • Вы не превышаете общий ток порта.
   • Вы не превышаете общий ток gnd/vdd.

2. Если вам нужно подключить больше оптронов, вы можете попробовать использовать слаботочные оптопары с высоким коэффициентом передачи, такие как SFH618 (https://www.vishay.com/docs/83673/sfh618a.pdf), и подключить их напрямую к вашим GPIO (через резистор).

3. Или вы можете использовать BJT или MOSFET (см. схемы ниже). Некоторые примечания:

   • Не забудьте установить подтягивающий/подтягивающий резистор, который гарантирует, что MOSFET/BJT выключены, когда GPIO еще не инициализирован (например, во время сброса).
   • Подтягивающий или понижающий резистор может быть опущен, если ваш MCU имеет вывод GPIO с подтягиванием вверх/вниз, всегда включенным во время сброса.
   • При использовании МОП-транзисторов не забудьте использовать МОП-транзисторы логического уровня (например, BSS138).
   • Если вы используете решение с активным низким уровнем, убедитесь, что напряжение высокого уровня GPIO равно VDD. т.е. не используйте 3.3V-GPIO и VDD = 5V в решении с активным низким уровнем! .

4. Тем не менее, если вам нужно управлять многими оптопарами (например, 6), вы можете использовать упомянутый вами 74LS07, так как он допускает 40 мА на контакт, и вам нужно будет установить только один компонент (вместо 6 BJT / MOSFET). Помните, что, в отличие от CMOS, микросхемы TTL изначально подтянуты! Тем не менее, вам может понадобиться подтягивающий резистор (в техническом описании также рекомендуется не оставлять входы плавающими). И, поскольку ’07 не инвертирует, это решение будет активным НИЗКИМ. 74ABT126 – это CMOS, поэтому вы ДОЛЖНЫ использовать подтягивающий резистор!

^{смоделируйте эту схему — схема создана с помощью CircuitLab}

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Подойдет простой BJT, такой как MMBT3904, или любой переключающий BJT. Вы можете получить барабан 100 за два доллара.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Драйверы дифференциальных линий не предназначены для управления светодиодами. Эти буферные микросхемы передают (или принимают) дифференциальный сигнал по двум проводам. Колебания напряжения могут составлять от 1,3 до 1,7 вольт. Недостаточно, чтобы включить или выключить светодиод.

Буферы TTL идеально подходят для этого приложения, но вместо того, чтобы подключаться к верхней стороне светодиода, как показано на вашей схеме, они должны быть подключены к нижней стороне светодиода, поскольку TTL хорош для тока потребления и плохо для тока источника. .

Однако, если у вас есть только несколько оптопар для подключения, то NPN BJT — еще более простой способ управления светодиодом.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Я рекомендую для выхода логического уровня использовать h21L1, который имеет КМОП-драйвер логического элемента Шмитта и работает с минимальным током 1,4 мА ~1 (10) долл.