Управление мощной нагрузкой с помощью микроконтроллера

Помигав светодиодам, изучив что и как происходит в микроконтроллере обычно думаешь: "...а может научиться управлять при помощи микроконтроллера к примеру освещением в комнате, или вентилятором, или просто подключить к выходу микроконтроллера что-то мощнее чем светодиод...".

В данном случаи нагрузка относительно мощная, так как порты микроконтроллера по документации выдерживают до 50мА ток нагрузки (поверьте оно так и есть горят порты аж бегом!) необходимо выбрать промежуточное устройство, которое будет коммутировать нашу оконечную нагрузку.
Для примера возьмем микромощный коллекторный двигатель, который использовался в статье про регулятор скорости вращения двигателя.

Варианты построения выходного каскада устройств на микроконтроллерах:
1. Применение биполярного транзистора или микросхемы сборки(драйвера).
2. Применение полевого транзистора или сборки.
Рассмотрим преимущества и недостатки двух этих вариантов.

Биполярный транзистор.
Биполярный транзистор управляется током, что приводит к нескольким недостаткам его использования как выходного-коммутирующего устройства:
- нагрев самого транзистора,
- необходимость применять громоздкие радиаторы,
- максимальная частота коммутации ниже чем у полевых транзисторов.

Тем не менее биполярные транзисторы занимают определенную нишу в электронике и очень широко применяются в наше время.
Схема включения биполярного транзистора показана на рис. 1
npn транзистор схема с общим эмиттером
Рис.1

Схема включения биполярного транзистора для питания коллекторного двигателя рис.2:
схема включения транзистора и двигателя
Рис. 2
Широкое распространение получили микросхемы-сборки так называемых ключей(ключевых каскадов, от слова "ключ" - описывающее режим работы, как коммутацию двух положений "включено", "выключено"), так же еще эти микросхемы называют драйверами.
Пример таких микросхем Рис.3:
L293DNE, M54531P, ULN2004.
Схема включения L293:
схема включения L293
Рис. 3

Микросхема позволяет управлять сразу двумя коллекторными двигателями, так же что примечательно дает возможность управлять направлением вращения двигателей.
Очень полезно если двигатель установлен в гусеничное шасси и реверс просто необходим.

Микросхема M54531P имеет в своём составе 7 ключевых транзисторных каскадов, соответственно можно выполнить подключение 7-ми двигателей или других мощных нагрузок.
Схема включения M54531P рис. 4:
Схема включения M54531P
Рис. 4
При протекании тока близкого к максимально допустимому настоятельно рекомендуется использовать радиатор. Радиатор для L293 я делал из банке Nescafe Рис. 5:
радиатор для L293 из банки
Рис. 5
Полевой транзистор.
Управляется напряжением, что дает определенные преимущества перед биполярным транзистором. А именно отсутствие нагрева при коммутации (верней нагрев есть, но он не сравним с нагревом биполярного), в следствии чего отсутствует падение напряжения. Что благоприятно сказывается на энергетических характеристика устройства построенного на полевых транзисторах.
В роли коммутирующих элементов или выходных каскадов малой и средней мощности зачастую используют так называемые "сборки" из нескольких полевых транзисторов. В одной сборке может быть от 2х и более транзисторов. Чаще транзисторы содержаться n и p канальные, так предусмотрено для удобства построения выходного каскада в виде мостовой схемы. Для мощных выходных каскадов применяют одиночные полевые транзисторы.
На рисунке ниже показана сборка из двух полевых транзисторов IRF7105 Рис. 6:
корпус транзисторной сборки irf7105
Рис. 6
Пример включения коллекторного двигателя через сборку IRF7105 на полевых транзисторах, задействован только один из полевых транзисторов Рис. 7:
пример включения IRF7105
Рис. 7
А так же пример включения p-канального полевого транзистора IRFZ44 с коллекторным двигателем Рис. 8:
включение IRFZ44 с коллекторным двигателем
Рис. 8

Почему такая странная схема

Почему такая странная схема включения биполярного транзистора для примера приведена?

Ведь в данном случае, если нет сигнала управляющего, транзистор по умолчанию закрыт и нагрузка по умолчанию под напряжением! Для того что бы этого избежать, придётся дополнительно ставить подтяжку базы транзистора, и только тогда при включении напряжения нагрузка не окажется автоматически подключенной.

Кроме того, придётся считаться с током нагрузки и выбирать сопротивление подходящей мощности, а мощные резисторы маленькими не бывают. Да и радиатор на них сложновато ставить в отличие от транзисторов.

И наконец, резистор даёт падение напряжения, т.е. придётся учитывать, что на нагрузку у нас пойдёт меньшее напряжение, нежели даёт источник питания.

Помимо вышесказанного, не перечислены преимущества биполярных транзисторов и недостатки полевых. Из текста на данный момент следует, что полевые транзисторы однозначно лучше, а биполярные почему то используют, но почему неясно, ведь есть же полевые, без недостатков.

Я очень рад что сайт посещают

Я очень рад что сайт посещают такие пользователи. Все учтем, спасибо большое!