Как подключить нагрузку к блоку управления на микросхемах

Статья о различных способах подключения нагрузки к микроконтроллерному блоку управления с помощью реле и тиристоров.

Все современное оборудование, как промышленное, так и бытовое приводится в действие электричеством. При этом всю его электрическую схему можно разделить на две большие части: устройства управления (контроллеры от английского слова CONTROL – управлять) и исполнительные механизмы.

Лет двадцать назад блоки управления выполнялись на микросхемах малой и средней степени интеграции. Это были серии микросхем К155, К561, К133, К176 и им подобные. Они называются логическими цифровыми микросхемами, так как выполняют логические операции над сигналами, а сами сигналы являются цифровыми (дискретными).

В точности также, как обычные контакты: «замкнут – разомкнут». Только в этом случае эти состояния называются соответственно «логическая единица» и «логический ноль». Напряжение логической единицы на выходе микросхем находится в пределах от половины напряжения питания до его полной величины, а напряжение логического нуля у таких микросхем, как правило, 0…0,4В.

Алгоритм работы таких блоков управления осуществлялся за счет соответствующего соединения микросхем, и количество их было достаточно велико.

В настоящее время все блоки управления разрабатываются на основе микроконтроллеров разных типов. В этом случае алгоритм работы закладывается не схемным соединением отдельных элементов, а «прошитой» в микроконтроллере программой.

В связи с этим вместо нескольких десятков, а то и сотен микросхем блок управления содержит микроконтроллер и некоторое количество микросхем для взаимодействия с «внешним миром». Но, несмотря на такое усовершенствование, сигналы микроконтроллерного блока управления все те же цифровые, что и у старых микросхем.

Понятно, что мощности таких сигналов недостаточно, чтобы включить мощную лампу, двигатель, да и просто реле. В этой статье мы рассмотрим, какими способами можно подключить к микросхемам мощные нагрузки.

Самые простые способы это включение нагрузки через реле. На рисунке 1 реле включается при помощи транзистора VT1, для этого на его базу через резистор R1 от микросхемы подается логическая единица, транзистор открывается и включает реле, которое своими контактами (на рисунке не показаны) включает нагрузку.

Каскад, показанный на рисунке, 2 работает по-другому: чтобы включить реле на выходе микросхемы должен появиться логический 0, который закроет транзистор VT3. при этом транзистор VT4 откроется и включит реле. Кнопкой SB3 можно включить реле вручную.

На обоих рисунках можно заметить, что параллельно обмоткам реле включены диоды, причем по отношению к напряжению питания в обратном (непроводящем) направлении. Их назначение погасить ЭДС самоиндукции (может в десять и более раз превышать напряжение питания) при выключении реле и защитить элементы схемы.

Если же в схеме не одно, два реле, а намного больше, то для их подключения выпускается специализированная микросхема ULN2003A, допускающая подключение до семи реле. Такая схема включения показана на рисунке 3, а на рисунке 4 внешний вид современного малогабаритного реле.

На рисунке 5 показана схема подключения нагрузки с помощью оптронных тиристоров ТО125-12,5-6 (вместо которых ничего не меняя в схеме, можно подключить реле). На этой схеме следует обратить внимание на транзисторный ключ, выполненный на двух транзисторах VT3, VT4. Подобное усложнение вызвано тем, что некоторые микроконтроллеры, например AT89C51, AT89C2051 на время сброса при включении в течение нескольких миллисекунд удерживают на всех выводах уровень логической 1. Если нагрузку подключить по схеме приведенной на рисунке 1, то срабатывание нагрузки произойдет сразу же при включении питания, что может быть очень нежелательным явлением.

Для того, чтобы включить нагрузку (в данном случае светодиоды оптронных тиристоров V1,V2) на базу транзистора VT3 через резистор R12 следует подать логический 0, что приведет к открытию VT3 и VT4. Последний зажжет светодиоды оптотиристоров, которые откроются и включат сетевую нагрузку. Оптронные тиристоры обеспечивают гальваническую развязку от сети собственно схемы управления, что повышает электробезопасность и надежность схемы.

Несколько слов о тиристорах. Не вдаваясь в технические подробности и вольтамперные характеристики можно сказать, что тиристор — это простой диод, у них даже обозначения похожи. Вот только у тиристора имеется еще управляющий электрод. Если на него подать положительный относительно катода импульс, даже кратковременный, то тиристор откроется.

В открытом состоянии тиристор будет находиться до тех пор, пока через него течет ток в прямом направлении. Этот ток должен быть не менее некоторой величины, называемой током удержания. Иначе тиристор просто не включится. Выключить тиристор можно лишь разорвав цепь или подав напряжение обратной полярности. Поэтому, чтобы пропустить обе полуволны переменного напряжения используется встречно – параллельное включение двух тиристоров (см. рис. 5).

Чтобы не делать такого включения выпускаются симисторы или на буржуйском языке триаки. В них уже в одном корпусе изготовлены два тиристора, включенные встречно – параллельно. Управляющий электрод у них общий.

На рисунке 6 показаны внешний вид и цоколевка тиристоров, а на рисунке 7 то же для триаков.

На рисунке 8 показана схема подключения триака к микроконтроллеру (выходу микросхемы) при помощи специального маломощного оптотриака типа MOC3041.

Этот драйвер внутри себя содержит светодиод, подключенный к выводам 1 и 2 (на рисунке показан вид на микросхему сверху) и собственно оптотриак, который, будучи засвечен светодиодом, открывается (выводы 6 и 4) и, через резистор R1, соединяет управляющий электрод с анодом, за счет чего открывается мощный триак.

Резистор R2 предназначен для того, чтобы не произошло открытия триака в отсутствии управляющего сигнала в момент включения питания, а цепочка C1, R3 предназначена для подавления помех в момент переключений. Правда, MOC3041 особых помех не создает, поскольку имеет схему CROSS ZERO (переход напряжения через 0), и включения происходят в тот момент, когда сетевое напряжение только перешло через 0.

Все рассмотренные схемы имеют гальваническую развязку от питающей сети, что обеспечивает надежность работы и электробезопасность при значительной коммутируемой мощности.

Если же мощность незначительна и не требуется гальваническая развязка контроллера от сети, то возможно подключение тиристоров непосредственно к микроконтроллеру. Подобная схема приведена на рисунке 9.

Это схема елочной гирлянды произведенной, конечно, в Китае. Управляющие электроды тиристоров MCR 100-6 через резисторы подключены непосредственно к микроконтроллеру (находится на плате под каплей черного компаунда). Мощность управляющих сигналов настолько мала, что потребление тока на все четыре сразу, менее 1 миллиампера. При этом обратное напряжение до 800В и ток до 0,8А. Габаритные же размеры как у транзисторов КТ209.

Конечно, в одной короткой статье невозможно описать сразу все схемы, но, основные принципы их работы, кажется рассказать удалось. Сложностей особых тут нет, схемы все проверены на практике и, как правило, при ремонте или самостоятельном изготовлении огорчений не приносят.

Электронная книга — руководство про микроконтроллеры AVR для начинающих

Борис Аладышкин

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:

Факультет Интернет вещей

Вы сможете:

• Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;

• Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;

• Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.

Starter box для первых экспериментов в подарок!

После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды…

Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.

Подробнее здесь:
Интернет вещей и современные встраиваемые системы

Источник