Джереми Блум - Изучаем Arduino - инструметы и методы технического волшебства

Двигатели постоянного тока обычно требуют ток больше, чем может выдать встроенный в Arduino блок питания, к тому же они могут создавать опасные выбросы напряжения. Для решения этой проблемы необходимо научиться эффективно изолировать двигатель постоянного тока от платы Arduino и подключать его к отдельному источнику питания. Транзистор позволит безопасно включать двигатель, а также управлять его скоростью с помощью методов ШИМ, рассмотренных в главе 2. Прежде чем собирать схему подключения двигателя постоянного тока, изображенную на рис. 4.1, рассмотрим основные компоненты схемы:

Q1 - n-p-n биполярный плоскостной транзистор действует как ключ, включая и выключая внешний источник питания 9 В. Существуют два типа биполярных плоскостных транзисторов: n-p-n и p-n-p. Мы будем применять транзисторы типа n-p-n. Говоря упрощенно, n-p-n транзистор представляет собой переключатель, управляемый напряжением, что позволяет подавать или отключать ток;

R1 - резистор номиналом 1 кОм, соединяющий контакт платы Arduino с базой транзистора;

Рис. 4.1. Схема включения двигателя постоянного тока

- 86 -

U 1 - двигатель постоянного тока;

С 1 - конденсатор для фильтрации помех, вызванных работой двигателя;

Dl - диод для защиты блока питания от обратного напряжения.

Транзисторы применяются во многих устройствах: от усилителей до компонентов центрального процессора в компьютерах и смартфонах. У нас транзистор будет работать в качестве простого электрически управляемого переключателя. Каждый биполярный транзистор имеет три контакта (рис. 4.2): эмиттер (Е), коллектор (С) и базу (В).

Рис. 4.2. Биполярный n-p-n транзистор

Между коллектором и эмиттером течет большой ток, величина которого зависит от малого тока базы. Изменяя ток базы, мы можем регулировать ток через транзистор и менять скорость вращения двигателя. Напряжения 5 В, подаваемого на выход Arduino, достаточно для включения транзистора. Используя ШИМ, можно управлять скоростью вращения двигателя. Поскольку механические детали двигателя обладают инерцией, быстрое переключение транзистора под действием ШИМсигнала с разной скважностью приведет к плавной регулировке скорости вращения.

Одна из проблем электродвигателей постоянного тока - наличие противо-ЭДС.

В двигателе есть обмотки, в которых создается магнитный поток. При работе двигателя энергия магнитного поля запасается в обмотках. При выключении электродвигателя на концах обмотки возникает выброс напряжения обратной полярности, опасный для источника питания. Предотвратить воздействие электрических выбросов на внешние цепи можно с помощью защитных диодов. Подключив защитный диод, можно быть уверенным, что он устранит выброс напряжения при выключении двигателя.

- 87 -

В схеме, изображенной на рис. 4.1, двигатель подключен к отдельному источнику напряжением 9 В, а не к контакту 5 В разъема USB. Для данного примера подойдет также внешний источник с напряжением 5 В. Внешний источник питания необходим по двум причинам:

• уменьшается вероятность повреждения платы Arduino при неправильном подключении электродвигателя;

• ток и напряжение могут быть больше, чем обеспечивает встроенный в Arduino источник питания.

Некоторые двигатели постоянного тока потребляют ток, больший, чем может выдать плата Arduino. Кроме того, рабочее напряжение многих двигателей превышает 5 В. Хотя они и будут вращаться при напряжении 5-вольтовом питании, но достичь заданной скорости вращения могут только при питании 9 или 12 В (в зависимости от технических характеристик двигателя).

ВНИМАНИЕ!

Обратите внимание, что необходимо соединить землю отдельного источника питания с землей Arduino. Это обеспечит общую точку между уровнями напряжения в двух частях схемы.

Теперь, когда мы рассмотрели все тонкости управления щеточным двигателем постоянного тока, установим его макетную плату и подключим. Соберите схему, изображенную на рис. 4.1, а затем проверьте правильность монтажа по рис. 4.3. Важно научиться хорошо читать электрические схемы без использования графического макета.