Modul mosfet E-Switch, control 3-20V, iesire 5-36V, cu optoizolator

Acest tutorial foloseste placa Arduino Uno R3 pentru a comanda prin PWM o banda LED de 12 V cu modulul E-Switch MOSFET cu optoizolator. Modulul este util in proiectele in care o placa de dezvoltare cu iesiri de 5 V trebuie sa porneasca, sa opreasca sau sa regleze o sarcina de curent continuu mai mare decat poate suporta direct un pin, de exemplu benzi LED, motoare, pompe sau electrovalve.

Cum functioneaza:

Pe placa se afla un MOSFET F5305S cu canal P, montat pe linia pozitiva a sarcinii. Semnalul de comanda de pe IN+ si IN- aprinde LED-ul din optocuplorul PC817, iar partea de iesire a acestuia aduce poarta MOSFET-ului in stare de conductie. Cat timp exista semnal de comanda, sarcina este alimentata, iar cand semnalul dispare, MOSFET-ul se blocheaza. Optocuplorul separa electric cele doua circuite, de aceea masa Arduino nu trebuie legata la minusul sursei de 12 V.

Curentul de comanda este de aproximativ 5 mA, valoare pe care un pin Arduino o poate furniza fara probleme. Cei 5 V de pe un pin al placii Uno se incadreaza in domeniul de comanda al modulului, 3 - 20 VDC.

La PWM, tensiunea medie aplicata sarcinii este tensiunea sursei inmultita cu factorul de umplere. Functia analogWrite primeste o valoare intre 0 si 255, iar factorul de umplere este valoare / 255. De exemplu, la valoarea 128 factorul de umplere este 128 / 255, adica aproximativ 50 %, iar o banda LED de 12 V primeste in medie aproximativ 6 V. Pinul D9 al placii Uno genereaza PWM de aproximativ 490 Hz, deci perioada este de aproximativ 2 ms, frecventa potrivita pentru acest modul.

Conectare:

Montajul foloseste o sursa de retea de 12 VDC cu minimum 2 A, un adaptor jack de 5.5 x 2.1 mm cu borne cu suruburi si o banda LED monocolora de 12 V. Conectati totul cu sursa deconectata si alimentati-o la final. Cele doua blocuri terminale sunt marcate + si -. Pe blocul + plusul sursei intra la surubul de la coada sagetii de pe placa, iar plusul consumatorului pleaca de la surubul de la varful sagetii. Blocul - este negativul comun al sursei si al consumatorului. Nu sunt necesare convertor de nivel, rezistente pull-up sau alimentare separata pentru partea de comanda.

Placa si biblioteci:

In Arduino IDE selectati la Tools > Board placa Arduino Uno din pachetul Arduino AVR Boards, care vine instalat odata cu Arduino IDE. Programul foloseste doar functiile de baza ale Arduino, deci nu trebuie instalata nicio biblioteca.

Codul:

Programul seteaza pe rand cinci niveluri de luminozitate, apoi face o crestere si o scadere lina a luminozitatii, afisand pe monitorul serial ce se intampla.

/*
  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);
}

Cum functioneaza codul:

Constanta MOSFET_PIN are valoarea 9 si indica pinul PWM la care este legat IN+. Tabloul LEVELS contine cele cinci valori de test, 0, 64, 128, 192 si 255, iar NUM_LEVELS este numarul lor.

In functia setup se porneste comunicatia seriala la 9600 baud, pinul MOSFET_PIN se configureaza ca iesire si se aplica valoarea 0, astfel incat sarcina sa porneasca oprita.

Functia setBrightness primeste o valoare intre 0 si 255, o trimite cu analogWrite catre modul si afiseaza valoarea si procentul corespunzator.

In functia loop, un ciclu for parcurge tabloul LEVELS si pastreaza fiecare nivel doua secunde. Apoi doua cicluri for cresc valoarea de la 0 la 255 si o scad la 0, cu pauza de 10 ms intre pasi, ceea ce da un efect de aprindere si stingere lina. Dupa o pauza de o secunda secventa se reia.

Rezultat:

Deschideti monitorul serial la 9600 baud. Banda LED trece prin cele cinci niveluri de luminozitate, apoi se aprinde si se stinge lin, iar pe monitor apare un text asemanator cu cel de mai jos.

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 %)

Probleme frecvente:

Sarcina ramane aprinsa tot timpul. Cauza cea mai frecventa este conectarea sursei si a consumatorului in sens invers fata de sageata de pe placa, caz in care curentul trece pe langa MOSFET. Reconectati sursa la surubul de la coada sagetii si consumatorul la surubul de la varful ei.

Sarcina nu porneste deloc. Verificati ca IN+ este legat la D9 si IN- la GND, ca sursa de 12 V este alimentata si ca minusul sursei si al consumatorului sunt pe blocul -. Verificati si ca tensiunea de comanda este de cel putin 3 V.

Luminozitatea nu variaza, banda se aprinde doar complet. Verificati ca semnalul este pe un pin cu PWM, marcat cu ~ pe placa Uno, si ca in cod este folosit analogWrite, nu digitalWrite.

Modulul se incalzeste puternic. Curentul sarcinii depaseste 5 A fara racire. Reduceti sarcina sau montati radiator si ventilator.

La motoare sau pompe apar resetari ale placii Arduino sau comportament instabil. Un motor produce varfuri de tensiune la oprire. Montati o dioda de protectie in paralel cu sarcina, cu catodul spre plus, si folositi fire de sectiune adecvata.

Limitari si sfaturi:

Modulul comuta numai sarcini de curent continuu de 5 - 36 VDC si nu este potrivit pentru tensiune alternativa. Tensiunea de comanda recomandata este de 3 - 20 VDC, iar curentul de comanda este de aproximativ 5 mA. Pana la 5 A nu este nevoie de racire, iar cu radiator si ventilator se poate ajunge la 22 A, cu verificarea temperaturii MOSFET-ului.

Optocuplorul limiteaza frecventa PWM utilizabila, deci cele aproximativ 490 Hz de pe D9 sunt potrivite, dar PWM foarte rapid nu este recomandat. Din acelasi montaj puteti construi un dimmer pentru banda LED cu potentiometru, un regulator de turatie pentru un motor de curent continuu sau un comutator pentru pompe si electrovalve comandat de senzori.