Como os dispositivos de corrente mais alta (motores, solenóides, luzes etc.) podem ser controlados por um Arduino?

Estou procurando uma solução amplamente aplicável, que possa ser adaptada a uma variedade de projetos.

Atualmente, estou trabalhando em vários projetos que exigem controle de dispositivos que variam de 800mA a 2A a partir de um Arduino Uno. Um controla motores de passo, um controla atuadores solenóides de 12vdc e um controla válvulas pneumáticas de 12vdc.

Por exemplo:

O Arduino monitora um botão e cada vez que o botão é pressionado, ele aciona o atuador solenóide. Como o Arduino é incapaz de fornecer a corrente requerida pelo solenóide, é necessária uma fonte de alimentação separada, com o Arduino controlando um comutador (relé, transistor, etc.) que permite que a corrente mais alta passe. Para o motor de passo, o layout é mais complexo, pois precisaria haver quatro pinos controlando quatro interruptores separados (para manter a interoperabilidade do circuito). O relé controla uma válvula de ar e requer 12vdc também.

Estou tentando descobrir como usar um único circuito que possa ser usado em cada um desses aplicativos (e em quaisquer projetos futuros) que envolvam o controle de dispositivos de corrente mais alta do que os pinos do Arduino podem suportar.

Velocidade de prototipagem, componentes padronizados e baixo custo são os fatores determinantes. A velocidade de comutação, a vida útil e o ruído também são importantes.

Existe uma placa de interrupção, circuito ou componente que possa ser conectado a um pino do Arduino e usado para controlar um dispositivo de alta corrente? Idealmente, com um potenciômetro controlado por software, para que a resistência para diferentes projetos possa ser definida no próprio esboço.

Para acionar correntes tão altas, pode ser necessário cascatear vários transistores (você também pode usar um transistor Darlington ). Existem matrizes de Darlingtons montadas em um chip (por exemplo, o ULN2803A possui 8 transistores darlington, mas é limitado a 500mA).

Você provavelmente terá que lidar com transistores de potência mais alta; como exemplo, encontrei a STMicroelectronics TIP110, que pode suportar a comutação de uma corrente de 2 A (pico de 4 A), mas provavelmente seria necessário um dissipador de calor para dissipar o calor.

Note que me pergunto se os seus steppers realmente precisam de corrente 2A (eles são tão grandes?). Para os steppers, geralmente é possível encontrar um IC que os conduz com facilidade, por exemplo, o L293D, mas este pode operar "apenas" 600mA).

Como conclusão, receio que você não encontre uma solução "tamanho único", pois todos os seus dispositivos são diferentes e devem ser acionados pelo circuito apropriado.

Editar:

Como o sobredimensionamento não é um problema no seu caso de prototipagem, você pode optar por um MOSFET em vez dos transistores bipolares comuns. Um MOSFET poderá acionar correntes e tensões mais altas do que os transistores padrão.

A desvantagem é que você pode usá-lo apenas como um interruptor (como por exemplo um relé) e, portanto, não pode realmente conduzir a potência exata para os seus dispositivos. Eu acho que isso não importa para um motor de passo ou um solenóide, mas isso pode ser importante para acionar as luzes, por exemplo.

No entanto, o ponto positivo é que você ainda pode usar o PWM para isso, pois a velocidade de comutação do MOSFET é boa o suficiente para tais fins.

Em relação ao preço, existem muitos tipos diferentes de MOSFET por aí, mas acho que você pode encontrar um que atenda às suas necessidades (12V, 2A) por menos de US $ 1.

Aconselho que você dê uma olhada neste excelente artigo sobre este tópico.

Existem várias maneiras de alternar cargas mais altas, e o jfpoilpret descreveu algumas boas opções. Resumirei algumas soluções baseadas em relés, que são principalmente apropriadas para velocidades de comutação relativamente baixas (ou seja, geralmente não são adequadas para PWM).

Relés de estado sólido Os relés
de estado sólido (SSRs) são efetivamente switches baseados em semicondutores. Eles vêm em uma ampla variedade de configurações, dependendo de seus requisitos, mas o fator principal é que eles não têm partes móveis. Isso significa que eles podem ser muito confiáveis ​​a longo prazo, se usados ​​corretamente.

Internamente, eles geralmente são compostos por MOSFETs e tiristores ou similares. Isso pode permitir que eles atinjam velocidades de comutação razoavelmente altas na teoria. Na prática, porém, quanto mais energia é projetada, mais difícil é alternar rapidamente. Isso significa que alta velocidade + alta potência podem ficar muito caras.

Um fator crítico a ter em mente é que você geralmente precisará de um tipo diferente de SSR se pretender alternar entre AC e DC. Também é bom observar que alguns virão com um opto-isolador embutido ou similar para manter suas fontes de alimentação separadas.

Relés eletromecânicos
Essa é a abordagem mais 'tradicional'. Um relé eletromecânico (EMR) é um componente bastante simples, contendo um interruptor mecânico, controlado por uma bobina eletromagnética. Se o interruptor estiver normalmente aberto, a bobina o fechará quando uma corrente de controle for aplicada. Por outro lado, um interruptor normalmente fechado seria aberto quando uma corrente de controle fosse aplicada.

Há várias vantagens dos EMRs sobre coisas como SSRs. O mais óbvio é o custo - sua simplicidade os torna bastante baratos, e o custo não aumenta tão acentuadamente nas versões de maior potência. Além disso, o controle e a carga são inerentemente isolados e não se importam se você está alternando CA ou CC.

Existem várias desvantagens. O aspecto mecânico significa que os EMRs geralmente são muito mais lentos do que as soluções de comutação não mecânicas e podem sofrer ressalto de contato. Além disso, eles podem se desgastar fisicamente e podem ser afetados por coisas como choques, vibrações e (potencialmente) outros campos magnéticos.

Ao projetar um circuito para usar um EMR, é essencial estar ciente da EMF traseira (força eletromotriz). Quando uma corrente de controle é aplicada, a bobina atua como um indutor, armazenando a carga eletromagneticamente. Quando a corrente de controle é interrompida, a carga armazenada pode voltar ao circuito de controle, criando um grande pico de tensão negativa (potencialmente muito maior do que o que foi originalmente aplicado).

Infelizmente, esse pico pode danificar / destruir quaisquer componentes ou pinos do microcontrolador conectados. Geralmente, é evitado / atenuado colocando um diodo ao contrário nos contatos de controle do relé. Nesse contexto, às vezes é conhecido como diodo flyback e permite que o EMF se dissipe com segurança.

Como o jfpoilpret já disse, um MOSFET de energia é ótimo para ligar e desligar a energia de 12 VCC em dispositivos com até 44 A. Existem dezenas desses MOSFET de energia por menos de US $ 1 cada. MOSFETs mais caros estão disponíveis e podem suportar correntes e tensões muito mais altas.

Em princípio, é possível acionar um motor de passo com um microcontrolador e um punhado de transistores e algumas outras peças pequenas. No entanto, muitas pessoas preferem usar um "chip de driver de passo", por isso é impossível que um bug de software ligue acidentalmente os transistores de forma a reduzir a fonte de alimentação ao terra (normalmente destruindo pelo menos 2 transistores). Muitos chips de driver de passo recentes também lidam com micro passo, limitação de corrente, proteção contra sobrecarga térmica e outros recursos interessantes.

Todos os chips de driver de passo que eu já ouvi falar, e algumas placas prontas para uso com esses chips, estão listados em http://reprap.org/wiki/stepper_motor_driver .

Em particular, muitas das impressoras RepRap 3D que eu vi conectar um Arduino a quatro drivers de passo Pololu (menos de US $ 15 cada) para acionar cinco motores de passo.

Fiz um circuito Arduino (Arduino Nano) para alimentar um Peltier de 12V (que também é uma fonte de alta potência.) Usando um transistor MTP3055V MOSFET 60V 12A. E o circuito está funcionando muito bem.