MOSFET E-Switch modul, 3-20V vezérlés, 5-36V kimenet, optocsatolóval

Ez a tutorial az Arduino Uno R3 lapot használja arra, hogy PWM-mel vezéreljen egy 12 V-os LED-szalagot az optocsatolós E-Switch MOSFET modullal. A modul hasznos olyan projektekben, ahol egy 5 V-os kimenetekkel rendelkező fejlesztőlapnak kell bekapcsolnia, kikapcsolnia vagy szabályoznia egy olyan egyenáramú terhelést, amely nagyobb áramot igényel, mint amennyit egy láb közvetlenül elbír, például LED-szalagokat, motorokat, szivattyúkat vagy elektromágneses szelepeket.

Működés:

A lapon egy F5305S típusú, P-csatornás MOSFET található, amely a terhelés pozitív ágába van szerelve. Az IN+ és IN- bemenetekről érkező vezérlőjel meggyújtja a PC817 optocsatoló LED-jét, a csatoló kimeneti oldala pedig vezetőképes állapotba hozza a MOSFET kapuját. Amíg van vezérlőjel, a terhelés táplálva van, és amikor a jel megszűnik, a MOSFET lezár. Az optocsatoló galvanikusan elválasztja a két áramkört, ezért az Arduino földjét nem szabad a 12 V-os tápegység negatív pólusához kötni.

A vezérlőáram körülbelül 5 mA, ezt az értéket egy Arduino láb problémamentesen biztosítani tudja. Az Uno lap egy lábának 5 V-os feszültsége beleesik a modul vezérlési tartományába, 3 - 20 VDC.

PWM esetén a terhelésre jutó átlagfeszültség a tápfeszültség és a kitöltési tényező szorzata. Az analogWrite függvény 0 és 255 közötti értéket kap, a kitöltési tényező pedig érték / 255. Például a 128-as értéknél a kitöltési tényező 128 / 255, vagyis körülbelül 50 %, így egy 12 V-os LED-szalag átlagosan körülbelül 6 V-ot kap. Az Uno D9 lába körülbelül 490 Hz-es PWM jelet generál, így a periódusidő körülbelül 2 ms, ami ehhez a modulhoz megfelelő frekvencia.

Csatlakoztatás:

A kapcsoláshoz egy legalább 2 A-es, 12 VDC-s hálózati tápegységre, egy 5.5 x 2.1 mm-es jack adapterre csavaros csatlakozókkal és egy 12 V-os egyszínű LED-szalagra van szükség. Mindent a tápegység lecsatlakoztatott állapotában kösse össze, és a végén csatlakoztassa a tápot. A két sorkapocs blokk + és - jelöléssel van ellátva. A + blokkon a tápegység pozitívja a lapon lévő nyíl farkánál található csavarba kerül, a fogyasztó pozitívja pedig a nyíl hegyénél lévő csavartól indul. A - blokk a tápegység és a fogyasztó közös negatívja. Nincs szükség szintillesztőre, pull-up ellenállásokra vagy külön tápellátásra a vezérlő résznek.

Lap és könyvtárak:

Az Arduino IDE-ben a Tools > Board menüben válassza az Arduino Uno lapot az Arduino AVR Boards csomagból, amely az Arduino IDE-vel együtt települ. A program csak az Arduino alapfunkcióit használja, ezért nem kell könyvtárat telepíteni.

Kód:

A program egymás után öt fényerőszintet állít be, majd a fényerő lassú növelését és csökkentését végzi, miközben a soros monitoron kiírja, mi történik.

/*
  E-Switch MOSFET module with optoisolator (F5305S + PC817) - PWM brightness demo
  Board: Arduino Uno (Tools > Board > Arduino AVR Boards > Arduino Uno)
  Libraries: none, only the core Arduino functions are used.
  Wiring:
    Module IN+  -> Arduino Uno D9 (PWM, about 490 Hz)
    Module IN-  -> Arduino Uno GND
    Module + (screw 1) -> 12 VDC supply +
    Module - (screw 1) -> 12 VDC supply -
    Module + (screw 2) -> 12 V LED strip +12V
    Module - (screw 2) -> 12 V LED strip -
*/
const int MOSFET_PIN = 9;                          // PWM pin connected to IN+
const int LEVELS[] = {0, 64, 128, 192, 255};       // test brightness levels
const int NUM_LEVELS = sizeof(LEVELS) / sizeof(LEVELS[0]);
// Send a PWM value (0 - 255) to the module and print it
void setBrightness(int value) {
  analogWrite(MOSFET_PIN, value);                  // set the duty cycle
  Serial.print("Brightness level: ");
  Serial.print(value);
  Serial.print(" / 255 (");
  Serial.print(value * 100L / 255);                // convert to percent
  Serial.println(" %)");
}
void setup() {
  Serial.begin(9600);                              // start the serial monitor
  pinMode(MOSFET_PIN, OUTPUT);                     // control pin as output
  analogWrite(MOSFET_PIN, 0);                      // start with the load off
  Serial.println("E-Switch MOSFET module test (Arduino Uno, pin D9)");
}
void loop() {
  // Step through the fixed levels, two seconds each
  for (int i = 0; i < NUM_LEVELS; i++) {
    setBrightness(LEVELS[i]);
    delay(2000);
  }
  // Smooth fade up from 0 to 255
  Serial.println("Fade up...");
  for (int value = 0; value <= 255; value++) {
    analogWrite(MOSFET_PIN, value);
    delay(10);
  }
  // Smooth fade down from 255 to 0
  Serial.println("Fade down...");
  for (int value = 255; value >= 0; value--) {
    analogWrite(MOSFET_PIN, value);
    delay(10);
  }
  analogWrite(MOSFET_PIN, 0);                      // load off before repeating
  delay(1000);
}

A kód működése:

A MOSFET_PIN konstans értéke 9, és azt a PWM lábat jelöli, amelyhez az IN+ csatlakozik. A LEVELS tömb az öt tesztértéket tartalmazza, 0, 64, 128, 192 és 255, a NUM_LEVELS pedig ezek számát.

A setup függvényben a soros kommunikáció 9600 baudon indul, a MOSFET_PIN lábat kimenetként állítjuk be, és a 0 értéket alkalmazzuk, így a terhelés kikapcsolva indul.

A setBrightness függvény 0 és 255 közötti értéket kap, azt analogWrite segítségével továbbítja a modulnak, majd kiírja az értéket és a hozzá tartozó százalékot.

A loop függvényben egy for ciklus végigmegy a LEVELS tömbön, és minden szintet két másodpercig tart. Ezután két for ciklus az értéket 0-ról 255-re növeli, majd 0-ra csökkenti, lépésenként 10 ms szünettel, ami lágy fel- és elhalványulást eredményez. Egy másodperces szünet után a sorozat újraindul.

Eredmény:

Nyissa meg a soros monitort 9600 baudra. A LED-szalag végigmegy az öt fényerőszinten, majd lágyan felvillan és elhalványul, a monitoron pedig az alábbihoz hasonló szöveg jelenik meg.

E-Switch MOSFET module test (Arduino Uno, pin D9)
Brightness level: 0 / 255 (0 %)
Brightness level: 64 / 255 (25 %)
Brightness level: 128 / 255 (50 %)
Brightness level: 192 / 255 (75 %)
Brightness level: 255 / 255 (100 %)
Fade up...
Fade down...
Brightness level: 0 / 255 (0 %)
Brightness level: 64 / 255 (25 %)
Brightness level: 128 / 255 (50 %)

Gyakori problémák:

A terhelés folyamatosan égve marad. A leggyakoribb ok, hogy a tápegységet és a fogyasztót a lapon lévő nyíl irányával ellentétesen kötötték be, ilyenkor az áram a MOSFET mellett folyik. Kösse a tápegységet a nyíl farkánál lévő csavarhoz, a fogyasztót pedig a nyíl hegyénél lévő csavarhoz.

A terhelés egyáltalán nem indul. Ellenőrizze, hogy az IN+ a D9-hez, az IN- pedig a GND-hez van kötve, hogy a 12 V-os tápegység be van dugva, és hogy a tápegység és a fogyasztó negatívja a - blokkon van. Ellenőrizze azt is, hogy a vezérlőfeszültség legalább 3 V.

A fényerő nem változik, a szalag csak teljesen ég. Ellenőrizze, hogy a jel PWM-képes lábon van, amely az Uno lapon ~ jellel van jelölve, és hogy a kódban analogWrite szerepel, nem digitalWrite.

A modul erősen melegszik. A terhelés árama meghaladja az 5 A-t hűtés nélkül. Csökkentse a terhelést, vagy szereljen hűtőbordát és ventilátort.

Motoroknál vagy szivattyúknál az Arduino lap újraindulhat, vagy instabilan viselkedhet. A motor kikapcsoláskor feszültségcsúcsokat kelt. Szereljen védődiódát a terhelésre párhuzamosan, a katóddal a pozitív felé, és megfelelő keresztmetszetű vezetéket használjon.

Korlátok és tanácsok:

A modul csak 5 - 36 VDC egyenáramú terheléseket kapcsol, nem alkalmas váltakozó feszültségre. Az ajánlott vezérlőfeszültség 3 - 20 VDC, a vezérlőáram pedig körülbelül 5 mA. 5 A-ig nincs szükség hűtésre, hűtőbordával és ventilátorral akár 22 A-ig is elmehetünk, a MOSFET hőmérsékletének ellenőrzése mellett.

Az optocsatoló korlátozza a használható PWM frekvenciát, ezért a D9 körülbelül 490 Hz-es jele megfelelő, de nagyon gyors PWM nem ajánlott. Ugyanebből az összeállításból építhet potenciométeres fényerőszabályzót a LED-szalaghoz, egyenáramú motor fordulatszám-szabályzót, vagy szenzorok által vezérelt kapcsolót szivattyúkhoz és elektromágneses szelepekhez.