Меню

Нагрузка постоянного тока ардуино

Электронная нагрузка под управлением Arduino

При работе с электрическими источниками питания бывают случаи, когда необходимо проверить их работу под нагрузкой. В самых простых случаях в качестве нагрузки можно использовать попавшегося под руки потребителя — лампу накаливания нужной мощности или мощный проволочный резистор. Это, конечно, не всегда удобно, когда потребителя нужной мощности под рукой нет. В таких случаях выручит электронная нагрузка — потребитель, у которого можно настроить протекающий через него ток. Однако это всё статическая нагрузка, и извратиться при желании можно, совсем другое дело, когда речь идёт о динамической нагрузке. В таких случаях без электронной нагрузки уже не обойтись. Помимо этого электронная нагрузка, как правило, имеет различные режимы тестирования источников питания. В этой статье я предлагаю Вам рассмотреть, как изготовить самодельную электронную нагрузку на основе Arduino, ЖК-дисплея, поворотного энкодера и мощного полевого транзистора для управления нагрузкой. Транзистор имеет хорошую систему охлаждения, поэтому он может выдерживать высокие нагрузки.

Необходимые компоненты:

1 х Arduino NANO (или UNO, или Pro Mini)
1 х ЖК-дисплей 16×2 c i2c модулем
1 х Модуль 16-битного АЦП ADS1115
1 х Модуль 12-битного ЦАП MCP4725
2 х кнопки на замыкание без фиксации, тактовые или любые подходящие
1 х Поворотный энкодер
1 х Транзистор IRF3205
1 х Блок питания 9-12 В от старого сканера, модема и т.д.
1 х Резистор 1 Ом / 5 Вт
4 х Клеммы винтовые
1 х Разъем+штекер 2,1 х 5,5 мм
1 х Выключатель (включатель?)
Провода сечением 0,8-1,0 мм2 для силовых цепей
Любой тонкий провод для подключения кнопок, энкодера и т.д.

Помимо этого потребуется фанера для корпуса, радиатор с активным охлаждением, например кулер от процессора ПК.

Теперь о схеме. Это важно, и вам может понадобиться адаптировать её к вашим потребностям.
• Прежде всего, 12В от блока питания идут в разрыв через тумблер включения, а затем к выводу Arduino Vin и к вентилятору. Arduino имеет встроенный стабилизатор напряжения на 5В, это напряжение и будет на выводах Vcc или +5V (подписывают по-разному). По этому напряжение 12 вольт нужно подключать именно к Vin, на вход этого стабилизатора. Все модули же буду цепляться как обычно к выводам Vcc и GND. Выводы SDA и SCL (А5 и А4) от Arduino подключаются ко всем модулям, подключаемых по шине i2c (ЦАП, АЦП и LCD дисплей).
• Подключите энкодер к Vcc, GND и три его управляющих контакта к цифровым выводам Arduino D8, D9 и D10. Подключите кнопки к контактам D11 и D12. Также подключите зуммер к D3.
• О делителе напряжения. В делителе использованы резисторы 10K и 100K, однако их реальное значение может отличаться от номинала, поэтому Вам, возможно, придется подправить множитель в коде.
• Для определения тока используется шунт 1 Ом. Опять же, этот резистор вряд ли будет ровно 1 Ом, поэтому множитель также потребуется подобрать. При использовании высокоточных прецизионных резисторов такой проблемы не возникнет. Подключите выход ЦАП к затвору полевого транзистора. Load +, Load-, S + и S- — это винтовые клеммы, монтируемые на переднюю панель.
Если вы хотите, чтобы нагрузка работала на ток больше 2,1 А, Вам потребуется увеличить напряжения на затворе транзистора. ЦАП не может выдать больше пяти вольт, так что в таком случае используйте другую схему с использованием операционного усилителя, которую Вы можете видеть ниже.

Подготовьте транзистор

Монтаж печатной платы

Скачать библиотеки и код одним архивом Вы можете тут: eload_kod.rar [58.74 Kb] (скачиваний: 168)
Скачать файлы для печати на 3D принтере тут: stl.zip [232.08 Kb] (скачиваний: 59)

Ну а на этом всё, и всем удачи в творчестве!

Источник

Arduino UNO урок 9 — Нагрузка

В нашем предыдущем уроке мы рассмотрели работу с фоторезистором для управления LED. Однако, зачастую нужно управлять более мощной нагрузкой, такой как лампа накаливания, электродвигатель, электромагнит и т.п. Выходы Arduino не могут обеспечить питание столь мощной нагрузки и большого напряжения. К примеру в робототехнике, часто используются двигателя на 12В, 24В, 36В и т.п. К тому же выходной ток вывода Arduino ограничен как правило 40 мА.

Одним из способов управления мощной нагрузкой, является использование MOSFET-транзисторов. Это дает возможность подключать достаточно мощную нагрузку с напряжением питания по 40-50 и более вольт и токами в несколько ампер, скажем электрические двигатели, электромагниты, галогенки и так далее.

Читайте также:  Определите полюса магнита если известно что при направлении тока от наблюдателя перемещается вправо

Схема подключения достаточно простая, как вы видите.

Подключение нагрузки к Arduino через мосфет

Если нагрузка индуктивная (электродвигатель, электромагнитный клапан и т.д.), то рекомендуется ставить защитный диод, который защитит мосфет от напряжения самоиндукции. Если вы управляете электродвигателем при помощи ШИМ без защитного диода, то могут возникнуть такие проблемы, как нагрев мосфета или его вылет, медленно будет крутиться ваш двигатель, возникнут потери мощности и т.д. Так что всегда ставьте защитный диод для индуктивной нагрузки. Встроенный в мосфет защитный диод в большинстве случаев не спасает от индуктивных выбросов!

Если нагрузка у вас активная – светодиод, галогенная лампа, нагревательный элемент и т.д., то в этом случае диод не нужен.

В цепь затвора желательно поставить Pull-Down резистор (стягивающий резистор между затвором [gate] и истоком [source]). Он необходим, чтобы гарантированно удерживать низкий уровень на затворе мосфета при отсутствии сигнала высокого уровня от Ардуино. Это исключает самопроизвольное включение транзистора.

В разрыв цепи затвора также рекомендуется ставить резистор номиналом 50-150 Ом, для предотвращения кратковременных выбросов тока и защиты вывода микроконтроллера.

При подборе мосфета, для того, чтобы он напрямую открывался от микроконтроллера и не нужно было ставить перед ним биполярных транзисторов и драйверов, обращайте внимание на параметр Gate Threshold, который должен быть примерно от 1 до 4 Вольт. Часто такие транзисторы помечаются как Logic Level .

Давайте к примеру рассмотрим транзистор: IRL3705N N-Channel Hexfet Power MOSFET.

Данный транзистор способен выдерживать продолжительный ток до 89А (естественно с теплоотводом) и открывается при напряжении затвора 1В (параметр VGS(th)). Поэтому, мы можем напрямую подсоединить данный транзистор к ногам Arduino. Когда транзистор полностью открыт, сопротивление Исток-Сток всего 0.01 Ом (параметр R DS(on) ) . Поэтому, если к нему подключить электрический мотор 12В, 10А на транзисторе падение напряжения будет всего лишь 0.1В, а рассеиваемая мощность 1 Ватт.

Если использовать ШИМ-выход контроллера, мы можем управлять мощностью (а значит и скоростью вращения) мотора.

Вернитесь к 5 уроку , где мы использовали Fade-эффект для светодиода, но вместо светодиода подключите MOSFET и автомобильную лампу на 12 Вольт. Питание лампы должно осуществляться от отдельной 12В батареи или БП.

Источник

Регулируемая электронная нагрузка постоянного тока на Arduino

Если вы когда-нибудь работали с батареями (аккумуляторами), импульсными (SMPS) или любыми другими источниками питания у вас наверняка возникала потребность в проверке их работы в различных условиях, то есть под различной нагрузкой. Устройство, которое обычно используется для этих целей, называется нагрузкой постоянного тока (Constant Current DC Load) и позволяет проверить выходной ток вашего источника питания и поддерживать его постоянным до тех пор пока не понадобится изменение условий его работы. В данной статье мы рассмотрим создание регулируемой электронной нагрузки постоянного тока на основе платы Arduino с максимальным входным напряжением 24V и силой тока до 5A. Для этого проекта в компании AllPCB была изготовлена печатная плата. Вы можете изготовить печатную плату, используя необходимые для этого файлы, у любого другого производителя.

Внешний вид регулируемой электронной нагрузки постоянного тока на основе платы Arduino

Наша регулируемая электронная нагрузка будет работать на основе операционного усилителя и MOSFET транзистора. Управлять всеми процессами в схеме будет плата Arduino Nano.

Схема нашего проекта будет состоять из 3-х частей. Первая часть будет содержать плату Arduino Nano, вторая – цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), а третья часть будет представлять собой чисто аналоговую схему, в которой двойной операционный усилитель (в едином корпусе) будет использоваться для управления секцией нагрузки.

Наша электронная нагрузка будет иметь следующие особенности:

  1. Два переключателя для увеличения и уменьшения нагрузки.
  2. ЖК дисплей, на котором будет отображаться установленная нагрузка, текущая нагрузка и напряжение нагрузки.
  3. Максимальный ток нагрузки — 5A.
  4. Максимальное входное напряжение нагрузки — 24V.

Необходимые компоненты

  1. Плата Arduino Nano (купить на AliExpress).
  2. ЖК дисплей 16х2 (купить на AliExpress).
  3. Два разъема (barrel socket).
  4. Mosfet irf540n (купить на AliExpress).
  5. Цифро-аналоговый преобразователь Mcp4921 (купить на AliExpress).
  6. Операционный усилитель Lm358 (купить на AliExpress).
  7. Шунтирующий резистор 0,1 Ом 5 Вт (купить на AliExpress).
  8. Резистор 1 кОм (купить на AliExpress).
  9. Резистор 10 кОм – 6 шт. (купить на AliExpress).
  10. Резистор 2 кОм – 2 шт. (купить на AliExpress).
  11. Конденсатор 1 мкФ 50В (купить на AliExpress).
  12. Теплоотвод (радиатор).

Схема проекта

Схема регулируемой электронной нагрузки постоянного тока на основе платы Arduino представлена на следующем рисунке.

Схема регулируемой электронной нагрузки постоянного тока на основе платы Arduino

В представленной схеме операционный усилитель имеет 2 секции: одна управляет MOSFET транзистором, а другая усиливает измеряемый ток. Первая секция содержит резисторы R12, R13 и MOSFET. Резистор R12 используется для уменьшения действия нагрузки в цепи обратной связи, а R13 является резистором затвора MOSFET транзистора. Более подробно про работу схемы и назначение ее элементов вы можете посмотреть на видео, приведенном в конце статьи, правда, на английском языке.

Читайте также:  Как открыли переменный ток

Дополнительные два резистора R8 и R9 используются для измерения напряжения, поступающего от источника питания. Исходя из их номиналов по правилу делителя напряжения легко определить что максимальное измеряемое напряжение составит 24V, если напряжение будет больше 24V, то оно может повредить контакт платы Arduino, поскольку на него в этом случае будет поступать напряжение более 5 В.

R7 является нагрузочным резистором, его сопротивление составляет 0,1 Ом и он может рассеивать мощность до 5 Вт. Исходя из формулы для расчета мощности P = I2R он может выдерживать ток до 7A, но в целях безопасности лучше ограничить ток, протекающий через данный резистор, значением 5A. Таким образом, получается что наша регулируемая электронная нагрузка постоянного тока (то есть эквивалент нагрузки) рассчитано на напряжение до 24V и ток до 5A.

Другая секция операционного усилителя работает как обычный усилитель с коэффициентом усиления 6x. При протекании тока через какой либо электронный элемент на нем создается падение напряжения. К примеру, если ток 5A протекает через шунтирующий резистор сопротивлением 0,1 Ом, то в нем по закону Ома (V = I x R) создается падение напряжения 0,5 В. Наш неинвертирующий усилитель усилит это значение в 6 раз, следовательно, на выходе второй секции операционного усилителя будет напряжение 3V. Это напряжение подается на аналоговый контакт платы Arduino Nano, которая измеряет его и на основе этого рассчитывает силу протекающего через шунтирующий резистор тока.

Первая часть операционного усилителя работает как повторитель напряжения и управляет работой MOSFET транзистора, который выступает в роли обратной связи для тока, протекающего через шунтирующий резистор.

MCP4921 представляет собой цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который получает цифровые данные от платы Arduino по протоколу SPI и преобразует их в соответствующие аналоговые значения, которые в нашей схеме подаются на вход операционного усилителя.

Плата Arduino Nano передает цифровые данные ЦАПу MCP4921 по протоколу SPI и, таким образом, производит управление нашей электронной нагрузкой. Также она отображает необходимые данные на экране ЖК дисплея 16×2. Также к плате Arduino Nano подключены две кнопки для увеличения и уменьшения значения нагрузки. Вместо их подключения к цифровым контактам (как обычно) мы их подключили к аналоговым контактам платы Arduino. Поэтому вместо них можно в проекте использовать другие типы переключателей, например, слайдеры или аналоговые энкодеры. Также, при помощи небольших изменений в коде программы можно непосредственным образом подавать «сырые» (необработанные) аналоговые данные (raw analog data) в цепь операционного усилителя для управления нагрузкой. Подключение кнопок к аналоговым контактам также устраняет проблему, связанную с дребезгом их контактов (debounce problem).

Таким образом, в нашей схеме плата Arduino Nano передает данные ЦАПу в цифровой форме, ЦАП преобразует их в аналоговый вид и подает на вход операционного усилителя, который управляет работой MOSFET транзистора. Протекающий через шунтирующий резистор ток создает падение напряжения на нем, которое усиливается вторым каналом микросхемы LM358 и поступает на плату Arduino Nano, которая отображает его значение на экране ЖК дисплея. При помощи кнопок можно увеличивать и уменьшать значение тока через нагрузку.

Изготовление печатной платы для проекта

Спроектированная нами печатная плата для рассматриваемого в данной статье проекта регулируемой электронной нагрузки на основе платы Arduino показана на следующем рисунке.

Печатная плата для нашего проекта

Скачать Gerber файлы этой печатной платы вы можете по следующей ссылке — Download Adjustable Electronic DC Load Gerber File.

Заказать печатную плату можно, к примеру, на сервисе allpcb.com, или у любого другого изготовителя печатных плат. Процессы заказа и оплаты изготовления печатной платы на сервисе allpcb.com показаны на следующих рисунках.

Заказ печатной платы на сервисе allpcb.com

Ввод характеристик печатной платы на сервисе allpcb.com

Страница предзаказа печатной платы на сервисе allpcb.com

Оплата заказа печатной платы на сервисе allpcb.com

После изготовления печатная плата пришла авторам проекта вот в такой вот коробке:

Внешний вид упаковки печатной платы с сервиса allpcb.com

Внешний вид пришедшей печатной платы показан на следующем рисунке. Качество изготовления, как видите, хорошее.

Внешний вид изготовленной печатной платы для нашего проекта

После сборки проекта на основе этой печатной платы получился следующий окончательный вид конструкции нашего проекта:

Внешний вид собранной конструкции нашего проекта

Объяснение программы для Arduino

Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы кратко рассмотрим его основные фрагменты. Комментарии к коду программы также переведены в конце статьи, в этой части статьи я их оставил без перевода.

Читайте также:  Чудачество любви не помеха тока арт

Источник



Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

  • Вычислительная техника
    • Микроконтроллеры микропроцессоры
    • ПЛИС
    • Мини-ПК
  • Силовая электроника
  • Датчики
  • Интерфейсы
  • Теория
    • Программирование
    • ТАУ и ЦОС
  • Перспективные технологии
    • 3D печать
    • Робототехника
    • Искусственный интеллект
    • Криптовалюты

Чтение RSS

Электронная нагрузка на Arduino своими руками

Если вы когда-либо работали с аккумуляторами или другими цепями электропитания, то часто случалось, что вам приходилось проверять источник питания, нагружая его, чтобы проверить его работу в различных условиях нагрузки. Устройство, которое обычно используется для выполнения этого типа теста, называется нагрузкой постоянного тока, которая позволяет нам регулировать выходной ток вашего источника питания, а затем поддерживать его постоянным до тех пор, пока он не будет отрегулирован снова.

Электронная нагрузка на Arduino своими руками

В этом уроке мы узнаем, как собрать нашу собственную регулируемую электронную нагрузку, используя Arduino, которая может принимать максимальное входное напряжение 24 В и иметь ток до 5 А.

Схема состоит из трех частей. Первая часть представляет собой секцию управления с Arduino Nano, вторая часть представляет собой цифроаналоговый преобразователь, а третья часть представляет собой чисто аналоговую схему, в которой используется двойной операционный усилитель в одном корпусе, который будет управлять секцией нагрузки.

Далее приведена принципиальная схема электронной нагрузки. На этой схеме операционный усилитель имеет две секции. Одна управляет МОП-транзистором, а другая реализует усиление измеряемого тока. Первая секция имеет сопротивления R12, R13 и полевой МОП-транзистор MOSFET. R12 используется для уменьшения влияния нагрузки на секцию обратной связи, а R13 используется в качестве резистора затвора MOSFET.

Электронная нагрузка на Arduino своими руками

Дополнительные два резистора R8 и R9 используются для определения напряжения питания источника питания, которое будет испытывать нагрузку от этой фиктивной нагрузки. Согласно правилу делителя напряжения, эти два резистора поддерживают максимум 24 В. Более 24 В будут создавать напряжение, которое не подходит для выводов Arduino. Поэтому будьте осторожны, чтобы не подключать источник питания с выходным напряжением более 24 В.

Резистор R7 здесь является фактическим нагрузочным резистором. Это резистор 0,1 Ом мощностью 5 Вт. Он будет поддерживать максимум 7А, но для безопасности целесообразнее ограничить максимум тока нагрузки 5А. Следовательно, в настоящее время максимальная нагрузка 24 В, 5 А может быть установлена этой фиктивной нагрузкой.

Другая часть усилителя предназначена для усиления. Она обеспечивает 6-кратное усиление. Во время протекания тока будет падение напряжения. Например, когда через резистор протекает ток 5 А, падение напряжения на шунтирующем резисторе сопротивлением 0,1 Ом (V = I x R) будет составлять 0,5 В в соответствии с законом Ома. Неинвертирующий усилитель усилит его до x6, поэтому 3 В будет выходным напряжением второй части усилителя. Этот выход будет подан на аналоговый входной контакт Arduino Nano, в котором будет рассчитан ток.

MCP4921 – это цифро-аналоговый преобразователь. ЦАП использует протокол связи SPI для получения цифровых данных от любого микроконтроллерного блока и обеспечения аналогового выходного напряжения в зависимости от него. Это напряжение является входом операционного усилителя.

С другой стороны, имеется Arduino Nano, который будет передавать цифровые данные в ЦАП по протоколу SPI и контролировать нагрузку, а также отображать данные на 16-символьном дисплее. Здесь также используются два дополнительных элемента: кнопка уменьшения и увеличения. Вместо подключения к цифровому выводу они подключаются к аналоговым выводам. Также, изменяя код, можно предоставить необработанные аналоговые данные для управления нагрузкой.

Наконец, увеличивая нагрузку, Arduino nano будет передавать данные о нагрузке на ЦАП в цифровом формате, ЦАП будет передавать аналоговые данные на операционный усилитель, а операционный усилитель будет управлять полевым МОП-транзистором в соответствии с входным напряжением операционного усилителя. Наконец, в зависимости от тока нагрузки, протекающего через шунтирующий резистор, появится падение напряжения, которое будет дополнительно усиливаться вторым каналом LM358 и получаться от Arduino Nano. Это будет отображаться на дисплее. То же самое произойдет, когда пользователь нажимает кнопку уменьшения.

Собранная схема электронной нагрузки может выглядеть следующим образом.

Электронная нагрузка на Arduino своими руками

Код программы электронной нагрузки довольно прост и приведен далее.

Итак, цифровая цепь нагрузки запаяна и запитана от источника питания 12 В. В данном случае на стороне источника питания использовалась литиевая батарея 7,4 В, и был подключен токоизмерительный прибор, чтобы проверить, как работает схема. Как вы можете видеть, когда установленный ток составляет 300 мА, схема потребляет 300 мА от батареи, которая также измеряется токоизмерительным прибором как 310 мА.

Источник