Як підключити навантаження до блоку управління на мікросхемах - Все про РадіоЕлектроТехнік
Стаття про різні способи підключення навантаження до мікроконтролерного блоку управління за допомогою реле та тиристорів.
Все сучасне устаткування, як промислове, і побутове приводиться у дію електрикою. При цьому всю його електричну схему можна розділити на великі частини: пристрої управління (контролери від англійського слова CONTROL – управляти) і виконавчі механізми.
Років двадцять тому блоки управління виконувались на мікросхемах малого та середнього ступеня інтеграції. Це були серії мікросхем К155, К561, К133, К176 та подібні до них. Вони називаються логічними цифровими мікросхемами, оскільки виконують логічні операції над сигналами, а самі є цифровими (дискретними).
Так само, як і звичайні контакти: «замкнуть – розімкнуть». Тільки в цьому випадку ці стани називаються відповідно «логічна одиниця» та «логічний нуль». Напруга логічної одиниці на виході мікросхем знаходиться в межах від половини напруги живлення до його повної величини, а напруга логічного нуля таких мікросхем, як правило, 0 ... 0,4В.
Алгоритм роботи таких блоків управління здійснювався за рахунок відповідного з'єднання мікросхем, і кількість їх була досить велика.
В даний час всі блоки керування розробляються на основі мікроконтролерів різних типів. І тут алгоритм роботи закладається не схемним з'єднанням окремих елементів, а «прошитої» в микроконтроллере програмою.
У зв'язку з цим замість кількох десятків, а то й сотень мікросхем, блок управління містить мікроконтролер і деяку кількість мікросхем для взаємодії із «зовнішнім світом». Але, незважаючи на таке удосконалення, сигналимікроконтролерного блоку управління ті самі цифрові, що й у старих мікросхем.
Зрозуміло, що потужності таких сигналів недостатньо, щоб увімкнути потужну лампу, двигун та й просто реле. У цій статті ми розглянемо, якими способами можна підключити до мікросхем потужні навантаження.
Найпростіші способи це включення навантаження через реле. На малюнку 1 реле включається за допомогою транзистора VT1, для цього на його базу через резистор R1 мікросхеми подається логічна одиниця, транзистор відкривається і включає реле, яке своїми контактами (на малюнку не показані) включає навантаження.
Каскад, показаний малюнку, 2 працює інакше: щоб включити реле на виході мікросхеми повинен з'явитися логічний 0, який закриє транзистор VT3. при цьому транзистор VT4 відкриється та увімкне реле. Кнопкою SB3 можна увімкнути реле вручну.
На обох малюнках можна помітити, що паралельно до обмоток реле включені діоди, причому по відношенню до напруги живлення у зворотному (непровідному) напрямку. Їхнє призначення погасити ЕРС самоіндукції (може в десять і більше разів перевищувати напругу живлення) при вимиканні реле та захистити елементи схеми.
Якщо ж у схемі не одне, два реле, а набагато більше, то для їх підключення випускається спеціалізована мікросхема ULN2003A, що допускає підключення до семи реле. Така схема включення показана малюнку 3, але в малюнку 4 зовнішній вигляд сучасного малогабаритного реле.
На малюнку 5 показана схема підключення навантаження за допомогою оптронних тиристорів ТО125-12,5-6 (замість яких нічого не змінюючи в схемі, можна підключити реле). На цій схемі слід звернути увагу на транзисторний ключ, виконаний двох транзисторах VT3, VT4. Подібне ускладнення спричинене тим, щодеякі мікроконтролери, наприклад AT89C51, AT89C2051 на час скидання при включенні протягом декількох мілісекунд утримують на всіх висновках рівень логічного 1. Якщо навантаження підключити за схемою наведеною на малюнку 1, то спрацювання навантаження відбудеться відразу ж при включенні живлення, що може бути дуже небажаним .
Для того, щоб увімкнути навантаження (в даному випадку світлодіоди оптронних тиристорів V1, V2) на базу транзистора VT3 через резистор R12 слід подати логічний 0, що призведе до відкриття VT3 та VT4. Останній запалить світлодіоди оптотиристорів, які відкриються та включать мережне навантаження. Оптронні тиристори забезпечують гальванічну розв'язку від мережі власне схеми керування, що підвищує електробезпеку та надійність схеми.
Кілька слів про тиристорах. Не вдаючись у технічні подробиці та вольтамперні характеристики можна сказати, що тиристор - це простий діод, у них навіть позначення схожі. Ось тільки тиристор має ще керуючий електрод. Якщо нього подати позитивний щодо катода імпульс, навіть короткочасний, то тиристор відкриється.
У відкритому стані тиристор перебуватиме доти, доки через нього тече струм у прямому напрямку. Цей струм повинен бути не менше деякої величини, яка називається струмом утримання. Інакше тиристор просто не ввімкнеться. Вимкнути тиристор можна лише розірвавши ланцюг чи подавши напругу зворотної полярності. Тому, щоб пропустити обидві напівхвилі змінної напруги, використовується зустрічно – паралельне включення двох тиристорів (див. рис. 5).
Щоб не робити такого включення випускаються симістори або буржуазною мовою тріаки. У них вже в одному корпусі виготовлено два тиристори, включені зустрічно – паралельно. Керуючий електрод уних загальний.
На малюнку 6 показані зовнішній вигляд і цоколівка тиристорів, а на малюнку 7 те ж саме для тріаків.
На малюнку 8 показана схема підключення тріаку до мікроконтролера (виходу мікросхеми) за допомогою спеціального малопотужного оптотріаку типу MOC3041.
Цей драйвер містить у собі світлодіод, підключений до висновків 1 і 2 (на малюнку показаний вид на мікросхему зверху) і власне оптотріак, який, будучи засвічений світлодіодом, відкривається (висновки 6 і 4) і, через резистор R1, з'єднує керуючий електрод з анодом за рахунок чого відкривається потужний тріак.
Резистор R2 призначений для того, щоб не відбулося відкриття тріаку без керуючого сигналу в момент включення живлення, а ланцюжок C1, R3 призначений для придушення перешкод у момент перемикань. Правда, MOC3041 особливих перешкод не створює, оскільки має схему CROSS ZERO (перехід напруги через 0), і включення відбуваються в той момент, коли напруга мережі тільки перейшла через 0.
Всі розглянуті схеми мають гальванічну розв'язку від мережі живлення, що забезпечує надійність роботи та електробезпеку при значній комутованій потужності.
Якщо ж потужність незначна і не потрібна гальванічна розв'язка контролера від мережі, можливе підключення тиристорів безпосередньо до мікроконтролера. Подібна схема наведена малюнку 9.
Це схемаялинкової гірлянди виробленої, звичайно, у Китаї. Керуючі електроди тиристорів MCR 100-6 через резистори підключені безпосередньо до мікроконтролера (перебуває на платі під краплею чорного компаунду). Потужність сигналів, що управляють, настільки мала, що споживання струму на всі чотири відразу, менше 1 міліампера. При цьому зворотна напруга до 800В та струм до 0,8А. Габаритні ж розміри яку транзисторів КТ209.
Звичайно, в одній короткій статті неможливо описати відразу всі схеми, але основні принципи їх роботи, здається, розповісти вдалося. Складностей особливих тут немає, схеми перевірені на практиці і, як правило, при ремонті або самостійному виготовленні прикростей не приносять.