Выходные цепи
Максимальный ток, который может быть подан на любой вывод, составляет 25 мА, а максимальный ток для трех портов в любой момент времени — 200 мА. Эти же цифры применимы к отбираемому току. Тока в 25 мА достаточно для управления обычным светодиодом, однако для светодиодов высокой или сверхвысокой яркости необходим ток от 30 до 50 мА или выше.
Транзисторные ключи
Устройства, требующие более 25 мА, управляются транзисторными ключами. При этом чаще всего используют биполярные плоскостные n-p-n-транзисторы, однако n-канальные полевые МОП-транзисторы также применимы. Транзисторные ключи служат для подключения мощных светодиодов, сирен и зуммеров, двигателей, соленоидов, громкоговорителей, реле и многих других устройств. Далее такие устройства мы будем обобщенно называть «нагрузкой».
Смысл транзисторного ключа в том, что малый ток, втекающий в базу (Ь) транзистора создает ток примерно в 100 раз большей силы, втекающий в коллектор (с) и вытекающий из эмиттера (е).
Например, если для управления двигателем требуется 500 мА, то достаточный ток базы составляет всего лишь около 5 мА, что можно легко получить с вывода микроконтроллера PIC.
При выборе транзистора крайне важно убедиться в том, что он способен пропустить ток, необходимый для устройства. Популярный транзистор ВС548 пропускает до 100 мА, поэтому он не может использоваться для управления типичным двигателем. Транзистор ВС639 пропускает до 1 А, и потому приемлем для управления маленьким двигателем постоянного тока.
Два варианта ключа на биполярном плоскостном транзисторе. На схеме справа присутствует диод, включенный параллельно нагрузке. Он называется защитным, поскольку защищает транзистор от риска повреждения при переключении индуктивной нагрузки. К-категории индуктивных относят нагрузки, работающие через Формирование магнитного поля (например, двигатели, соленоиды и реле)- Проблема заключается в том, что при отключении эти устройства Индуцируют ток, создающий на транзисторе напряжение в несколько
Микроконтроллер PIC подключен к источнику питания на 4,8 В, однако коллектор транзистора связан через нагрузку с более высоким напряжением. Обе цепи должны быть связаны с одной и той же линией О В.
Преимущество полевых МОП-транзисторов заключается в том, что они практически не потребляют ток. Их проще включать в схемы, поскольку для них не требуется резистор затвора. Некоторые такие транзисторы характеризуются очень низким сопротивлением проводящего состояния, в силу чего они отдают максимум мощности в нагрузку. Полевые МОП-транзисторы быстрее биполярных плоскостных, однако последние обычно достаточно быстры для схем роботов.
Управление частотой вращения двигателя
Простейший способ переключения двигателя — с помощью транзисторного ключа. Он полностью включает или полностью отключает двигатель, но не делает ничего другого. Нельзя реверсировать направление или отрегулировать частоту вращения.
Схема, улучшенный вариант простого ключа. Поскольку механическая нагрузка на двигатель — переменная, частота его вращения — тоже переменная. Это происходит вследствие изменения обратной ЭДС, генерируемой двигателем, что приводит к варьированию напряжения. Операционный усилитель используется Для поддержания на двигателе уровня напряжения, равного напряжению Управления.
Для обеспечения фиксированной частоты вращения напряжение Управления может быть постоянным (скажем, получаемым с фиксированного делителя напряжения). Для переменной частоты используют сотен вольт. Диод же отводит этот ток до того, как он вызовет какие-либо повреждения.
Транзисторный ключ может использоваться для управления устройством, работающем при напряжении, превышающем рабочее напряжение микроконтроллера PIC. Например, если PIC работает от 4,8 В, его выход может управлять двигателем на 12 В переменный делитель напряжения. Можно также задействовать микросхему ЦАП для преобразования цифрового сигнала от микроконтроллера PIC в аналоговое управляющее напряжение. Более простой и эффективный способ цифрового управления частотой вращения.
Вместо изменения напряжения данная методика предусматривает питание двигателя фиксированным напряжением, которое, однако, включается только на определенный период времени. Напряжение подается и отключается быстро, поэтому двигатель работает плавно, без рывков.
Частота вращения двигателя управляется импульсным сигналом, генерируемым микроконтроллером PIC. У этого сигнала — переменный коэффициент заполнения (соотношение между длиной импульса и интервалами или промежутками между импульсами). Соответствующая программа «Робот-игрушка».
Преимущество этой методики заключается в том, что на клеммах двигателя — всегда полное напряжение, и он хорошо работает на малых оборотах, без остановок.
Управление направлением вращения двигателя
Направлением вращения двигателя можно управлять с помощью Н- 1 образного транзисторного моста или же с помощью реле. Мостовая схема используется в большинстве проектов, описанных в этой книге. Она может быть выполнена на биполярных плоскостных или полевых МОГТ транзисторах.
Эта схема состоит из четырех транзисторов для управления одним двигателем. Два из транзисторов — типа n-p-n (Q1 и Q3), а два — типа p-n-p (Q2 и Q4).
Два управляющих входа (А и В) поставляют ток в базы п-р-п-тран-зисторов и включают их, когда входное напряжение — высокого уровня. Они принимают ток из баз p-n-p-транзисторов и включают их, когда входное напряжение — низкого уровня. Например, если на входе А — напряжение высокого уровня, то транзистор Q1 включен, a Q2 выключен. Если, в то же время, на выходе В — напряжение низкого уровня, то транзистор Q3 выключен, a Q4 включен.
Ток течет от шины положительного напряжения через Q1 и вывод А на двигатель, а через вывод В и Q4 — на шину 0 В. Ток течет через двигатель слева. Если на выводе А — напряжение низкого уровня, а на выводе В — высокого, то ток течет через двигатель справа налево. Таким образом, Н-образный мост действует как ключ.
Если на выводах А и В одновременно — напряжение высокого или низкого уровня, то отсутствует цепь, по которой ток может течь от шины положительного напряжения к шине О В, поэтому двигатель останавливается.
Может случиться, что выбранный двигатель работает от напряжения выше 6,5 В, максимально допустимого для микроконтроллеров PIQ В таком случае Н-образный мост работать не будет, поскольку уровень логической единица от PIC недостаточно высок для выключения р-п-р-транзисторов. Для решения этой проблемы в качестве интерфейса между микроконтроллером и Н-образным мостом включают пару п-р-п-транзисторов.
Эти транзисторы — с тем же высоким напряжением питания, что и Н-образный мост. Их выходное напряжение в отключенном состоянии близко к напряжению на шине повышенного напряжения, в силу чего транзисторы p-n-p-типа надежно заперты.
Она построена на четырех n-канальных полевых МОП-транзисторах. Обратите внимание на то, что в этой схеме, в отличие от схемы на биполярных плоскостных транзисторах, все транзисторы — одинаковой полярности. Логические элементы «НЕ» включают транзисторы попарно. Вместо вентилей «НЕ» можно также использовать двухвходовые логические элементы «НЕ-И» или «НЕ-ИЛИ» с объединенными входами.
Если управляющий вход находится в состоянии высокого уровня, то на затворах Q1 и Q4 — низкое напряжение, в силу чего эти транзисторы выключены. На затворах Q2 и Q4 — напряжение высокого уровня, и потому они открыты. Ток течет от положительной шины питания через Q4, двигатель и Q2 на шину О В. Если управляющий вход — в со-
0янии низкого уровня, то Q1 и Q3 открыты, a Q2 и Q4 — выключены, ‘рок течет через двигатель в противоположном направлении.
Не обеспечивает никакого способа останова двигателя, однако это можно реализовать при наличии пятого полевого МОП-транзистора, включенного последовательно с мостом. Его сток следует соединить с линией О В, а исток — с шиной питания. Напряжение высокого уровня на затворе включает транзистор, и ток течет через мост.
Альтернативой Н-образному мосту как реверсирующему ключу является двухполюсное реле на два направления, обладающее рядом полезных свойств. Переключаемая схема может работать на любом напряжении — как более высоком, так и более низком по отношению к напряжению в цепи микроконтроллера PIC — при условии, что контакты реле рассчитаны на него. Кроме того, существуют реле, выдерживающие ток до нескольких ампер.
Схема, — это типичный реверсирующий ключ, основанный на использовании двухполюсного реле на два направления. Питание на обмотки реле подается через пару транзисторных ключей.
Реле, обычно используемые для коммутации двигателей, — устройства для монтажа на печатной плате. Зачастую они имеют такие же габариты, как и 16-выводные микросхемы, иногда — немного больше, большинство из них рассчитаны на напряжение 12 В, хотя в общем случае они работают при более низком напряжении. Несколько типов реле 1 рассчитаны на 6 В, другие же — на 5 В. Их контакты могут пропускать ток до 1 А, чего вполне достаточно для управления маленьким двигателем. Впрочем, перед приобретением реле всегда проверяйте их технические данные, указываемые в спецификации изготовителя.
Источник: qwedr.com