Как безопасно подключать внешние устройства к микроконтроллеру?

В этой статье рассматриваются важные драйверы и правильные схемы, необходимые для безопасного подключения внешних устройств к вводу/выводу MCU (микроконтроллер, англ. - Microcontroller Unit, MCU).

Введение

Как только у вас возникнет идея для проекта, очень заманчиво перейти прямо к подключению Arduino к схемам и устройствам, таким как светодиоды, реле и динамики. Однако делать это без правильной схемы может оказаться фатальным для вашего микроконтроллера.

Многие устройства ввода/вывода потребляют много тока (> 100 мА), которые большинство микроконтроллеров не могут обеспечить в безопасном режиме, а когда они пытаются обеспечить такое количество тока, они часто ломаются. Здесь нам на помощь приходят специальные схемы, которые называются «драйверы» (англ. - drivers). Драйверы - это схемы, которые могут принимать небольшой слабый сигнал от микроконтроллера, а затем использовать этот сигнал для управления каким-либо энергопотребляющим устройством.

Для правильной работы микроконтроллеров с внешними устройствами иногда требуются специальные схемы. Эти внешние устройства включают:

  • Цепи драйвера
  • Схемы защиты входа
  • Схемы защиты выхода
  • Цепи изоляции

Итак, давайте посмотрим на некоторые из этих схем и на то как они работают!

Простой светодиодный (LED) драйвер

Эта простая схема удобна для управления светодиодами с высоким энергопотреблением с помощью микроконтроллеров, где выход микроконтроллера подключен к «IN».

Пример простого светодиодного драйвера
Пример простого светодиодного драйвера

Когда микроконтроллер выводит 0, транзистор Q1 отключается, а также светодиод D1. Когда микроконтроллер выводит 1, транзистор включается, и поэтому D1 также включается. Значение R1 зависит от выходного напряжения вашего микроконтроллера, но значения между 1KΩ ~ 10KΩ часто работают хорошо. Значение R2 зависит от размера нагрузки, которую вы питаете, и эта схема подходит для питания устройств до 1А и не более.

Простой релейный драйвер

Устройствам, которые потребляют более 1 А тока и будут включаться и выключаться раз в несколько секунд, лучше подойдут реле.

Хотя реле достаточно просты (небольшой электромагнит, который привлекает металлический рычаг для замыкания схемы), они не могут управляться непосредственно микроконтроллером.

Для обычных реле требуются токи около 60 мА ~ 100 мА, что слишком много для большинства микроконтроллеров, поэтому реле требуют схему с использованием управления транзистором (как показано выше). Однако вместо резистора, который необходимо использовать для ограничения тока, требуется обратный диод защиты (D1).

Когда микроконтроллер (подключенный к «IN»), выдает 1, тогда включается транзистор Q1. Это включает реле RL1, и в результате загорается лампа (R2). Если микроконтроллер выводит 0, то транзистор Q1 отключается, что отключает реле, и поэтому лампа выключается.

Реле очень часто встречаются в схемах, требующих переключения цепей электропитания переменного тока, и доступны для переключения 230В и 13А (подходит для тостеров, чайников, компьютеров и пылесосов).

Пример простого релейного драйвера
Пример простого релейного драйвера

Кнопки

При подключении кнопки к микроконтроллеру могут иногда возникнуть простые проблемы. Первая (и самая раздражающая проблема) возникает в виде отскока, когда кнопка посылает много сигналов при нажатии и отпускании.

Кнопки обычно представляют собой кусок металла, который при контакте соприкасается с каким-то другим металлом, но когда кнопки вступают в контакт, они часто отскакивают (хотя они чаще всего крошечные). Этот отскок означает, что кнопка соединяется и отключается несколько раз, прежде чем зафиксироваться, а в итоге - результат, который ненадолго выглядит случайным. Поскольку микроконтроллеры очень быстрые, они могут поймать этот отскок и выполнять события нажатия кнопки несколько раз. Чтобы избавиться от отскока, можно использовать схему ниже. Схема, показанная здесь, представляет собой очень тривиальную схему, которая хорошо работает и проста в построении.

Защита входа: напряжение

Не все устройства ввода будут дружественными к вашему микроконтроллеру, а некоторые источники могут даже нанести ущерб. Если у вас есть источники входного сигнала, которые поступают из окружающей среды (например, датчик напряжения, датчик дождя, человеческий контакт) или источники входного сигнала, которые могут вывести напряжения, превышающие то, что может обрабатывать микроконтроллер (например, цепи индуктора), тогда вам потребуется включать некоторую защиту ввода напряжения. Схема, показанная ниже, использует 5V стабилитронов для ограничения входных напряжений, так что входное напряжение не может превышать 5 В и ниже 0 В. Резистор 100R используется для предотвращения слишком большого тока, когда диод Зенера захватывает входное напряжение.

Пример защиты ввода напряжения
Пример защиты ввода напряжения

Защита ввода/вывода: ток

Входы и выходы микроконтроллеров иногда могут быть защищены от слишком большого тока. Если устройство, такое как светодиод, потребляет меньше тока, чем максимальный выходной ток от микроконтроллера, тогда светодиод может быть напрямую подключен к микроконтроллеру. Тем не менее, последовательный резистор будет по-прежнему необходим, как показано ниже, а общие значения последовательных резисторов для светодиодов включают в себя 470 Ом, 1 кОм и даже 2,2 кОм. Серии резисторов также полезны для входных контактов в редких случаях, когда неисправны контакты микроконтроллеров или входное устройство испытывает всплеск выходного тока.

Пример использования резисторов для защиты тока
Пример использования резисторов для защиты тока

Преобразователи уровня

В прошлом большинство сигналов в цепи работало бы на одном и том же напряжении, и это напряжение обычно составляло 5 В. Однако с увеличением технологических возможностей современной электроники снижается напряжение на новых устройствах. Из-за этого многие схемы включают смешанные сигналы, в которых более старые части могут работать при напряжении 5 В, в то время как более новые части работают при напряжении 3,3 В.

Хотя многие радиолюбители предпочли бы использовать один уровень напряжения, правда состоит в том, что более старые 5-вольтовые части могут не работать на 3,3 В, в то время как более новые устройства 3,3 В не могут работать при более высоком напряжении 5 В. Если устройство 5V и устройство 3.3V хотят общаться, то требуется сдвиг уровня, который преобразует один сигнал напряжения в другой. Некоторые устройства с напряжением 3,3 В имеют 5 В "толерантность", что означает, что сигнал 5 В может напрямую подключаться к сигналу 3,3 В, но большинство устройств 5 В не могут переносить 3.3 В. Чтобы охватить оба варианта, приведенные ниже схемы показывают преобразование от 5 до 3,3 В и наоборот.

Примеры преобразователей уровня
Примеры преобразователей уровня

Изоляция: Оптоизолятор

Иногда схема, с которой должен взаимодействовать микроконтроллер, может представлять слишком много проблем, таких как электростатический разряд (ESD), широкие колебания напряжения и непредсказуемость. В таких ситуациях мы можем использовать устройство, называемое оптоизолятором, которое позволяет двум цепям общаться, не будучи физически соединенными друг с другом с помощью проводов.

Оптоизоляторы взаимодействуют с использованием света, когда одна цепь излучает свет, который затем обнаруживается другой схемой. Это означает, что оптоизоляторы не используются для аналоговой связи (например, уровни напряжения), но вместо этого для цифровой связи, где выход включен или выключен. Оптоизоляторы могут использоваться как для входов, так и для выходов на микроконтроллеры, где входы или выходы могут быть потенциально опасны для микроконтроллера. Интересно, что оптоизоляторы также могут использоваться для смещения уровня!

Пример использования optoisolation для защиты вашего микроконтроллера
Пример использования optoisolation для защиты вашего микроконтроллера

Ардуино+
Больше интересного ↓