Питание Arduino не слишком просто, как может показаться на первый взгляд. Некоторым новичкам сначала не ясно, есть ли у плат Arduino встроенное стабилизирование напряжения. Использование этого преимущества обеспечивает более длинную проводку электропитания за счет использования источника питания более высокого напряжения, чем номинальное напряжение 5 В или 3,3 В, необходимое для микроконтроллера для организации логических уровней.
Некоторые платы Arduino имеют входное напряжение от 6 до 16 В постоянного тока, что значительно выше максимального значения для микроконтроллера, но плата Arduino точно стабилизирует напряжение питания, а также обеспечивает дополнительную мощность для периферийных устройств Arduino.
Выбор подходящего источника питания для проектов на основе микроконтроллеров часто упускается из виду. В то время как сосредоточенные усилия могут быть направлены в детали самой конструкции, многие проблемы производительности и надежности могут быть связаны с выбором и подключением источника питания. Семейство плат Arduino предлагает решения для этих проблем, но легко ошибиться, не зная, какие варианты доступны при разработке. Это не так просто, как сказать, что 5 В Arduino использует источник питания 5 В, а 3,3 В Arduino использует источник питания 3,3 В.
Многие платы Arduino используют микроконтроллер ATmega328P. ATmega328 от Microchip имеет широкий диапазон допустимых напряжений Vcc. (Vcc – это стабилизируемое напряжение питания постоянного тока, необходимое для работы микросхемы, и его часто называют напряжением питания для интегральных схем.) Чаще всего платы Arduino предназначены для работы либо с логикой уровня 3,3 В для обеспечения низкого энергопотребления, либо с логикой 5 В для того, чтобы быть совместимыми с устаревшими логическими устройствами ТТЛ. Приведенные ниже примеры относятся к устройствам 3,3 В постоянного тока, где соображения относительно потребления источника питания являются более важными. Тем не менее, те же принципы применяются к устройствам с 5 В. Вот технические характеристики классических плат Arduino с официального сайта.
Возьмем в качестве примера Arduino Pro Mini. Максимальное потребление тока такой платы Arduino составляет 200 мА. Маловероятно, что сам Arduino будет потреблять 200 мА, но давайте предположим, что между Arduino и другими подключенными к нему устройствами они потребляют всего 200 мА. Спецификация ATmega328p показывает, что минимальное напряжение логического высокого уровня на выводе составляет 90% от Vcc. Таким образом, если Vcc составляет 3,3, минимальное напряжение на выводе, которое будет считаться логически высоким, составляет 0,9 * 3,3 В = 2,97 В. Любое значение, видимое на цифровом выводе ниже 2,97 В, находится в неопределенном диапазоне и приведет к непредсказуемым результатам от Arduino.
Всегда есть некоторое расстояние между источником питания и Arduino. Чем больше расстояние, тем больше потери напряжения на проводке блока питания. Но каковы эти потери? Так как провод 26 AWG является обычным выбором для организации проводки с низким энергопотреблением, будем рассматривать его. В нем меньше меди, это означает более низкую стоимость. Многожильный 26 AWG является хорошим выбором благодаря гибкости прокладки проводов. 26 AWG достаточно большой, так что он рассчитан на нагрузку 2,2 А, что более чем в десять раз превышает потребляемый ток 200 мА, который мы указали для максимального тока Arduino. Источник питания 3,3 В постоянного тока и провода 26 AWG кажутся отличным выбором, но давайте рассмотрим подробнее.
Провод 26 AWG имеет сопротивление 40,81 Ом на 1000 футов (300 метров) или 40,81 МОм на фут (0,3 м). При 200 мА, протекающей по проводам источника питания, у нас будет падение напряжения на проводе, как показано ниже. Имейте в виду, что нам нужно проложить провод от источника питания к Arduino, а затем снова вернуться к заземлению источника питания. Мы видим, что на десяти футах мы потеряли 5 процентов от нашего постоянного напряжения 3,3. На 20 футах мы потеряли почти 10 процентов. Это действие уменьшает напряжение, подаваемое на Arduino, до 4,5 В; нижний предел нашего гарантированного максимального логического высокого уровня.
Двадцать футов (6 метров) кажется разумным расстоянием для большинства применений. Однако мы рассмотрели только сопротивление самого провода к этому моменту.
Контактное сопротивление при этом часто не учитывается и даже не понимается. Сопротивление провода 26 AWG составляет 40,81 Ом на 300 метров в зависимости от диаметра поперечного сечения провода. Тем не менее, в каждой точке проводки, где мы разместили соединение, мы создали точку, в которой поперечное сечение пути тока уменьшается и поэтому имеет более высокую точку сопротивления.
Сопряжение круглого разъема приведет к тому, что штифт вывода будет контактировать со стволом только в тангенциальной точке. Лезвеобразные соединители обеспечивают одинаковую уменьшенную площадь по всей поверхности. Даже винтовой зажим не может соответствовать сопротивлению поперечного сечения самого провода. Учтите, что любое оконечное устройство подвержено окислению с течением времени и имеет в таком состоянии повышенное сопротивление. Каждая из этих точек может легко иметь контактное сопротивление 40 мОм. Вот так, каждая точка подключения может добавить эквивалентное сопротивление 300 метров провода 26 AWG. При наличии двух подключений к Arduino и двух подключений к источнику питания, любая система будет иметь минимум 4 точки завершения. Теперь у нас потеря напряжения на 5 процентов на 2,5 метрах (8 футах) и 10 процентов на 5,5 метрах (18 футах) между Arduino и его источником питания.
Следовательно, при стандартной схеме подключения источника питания мы теряем пять процентов напряжения источника 3,3 В между источником питания и Arduino на 2,5 метрах и 10% на 5,5 метрах. Проще говоря, если бы мы использовали регулируемый источник питания постоянного тока, мы могли бы увеличить напряжение, чтобы компенсировать потери в линии и сопротивление контакта. Однако источники питания дороги и занимают много места. Как правило, во встраиваемых системах разработчики пытаются использовать общий источник питания для нескольких контроллеров. Если один контроллер находится на расстоянии 0,3 метров от источника питания, а последний – на расстоянии 6 метров от источника питания, разработчик должен выполнить точную балансировку, чтобы каждый контроллер находился в нужном диапазоне.
Конструкции Arduino позволяют обойти проблемы с потерей напряжения в сети и контактным сопротивлением, благодаря встроенным стабилизаторам. Тем не менее, есть несколько способов питания Arduino, и не все из них обеспечивают преимущества встроенного стабилизирования.
Первое – питание USB. USB-кабель обычно используется для программирования Arduino через интегрированную среду разработки Arduino IDE. Кабель USB не только обеспечивает диагностику через последовательный монитор IDE, но также обеспечивает питание 5 В постоянного тока для Arduino через вывод Vcc USB. Питание 5 В USB используется для непосредственного питания 5 В Arduino, или оно отключается, если это Arduino 3,3 Вольт.
Второе – питание 5 В или 3,3 В. Разработчик может подать соответствующее напряжение на выводы питания 5 В или 3,3 В Arduino. Эти контакты привязаны непосредственно к контактам питания микроконтроллера на плате Arduino. Однако подача питания на эти контакты приведет к тому, что микроконтроллер Arduino будет восприимчив к потере линии и потере сопротивления контактов от источника питания, упомянутых ранее.
Третье – Vin или Raw. Arduino может иметь надпись «Vin» или «RAW» в зависимости от используемого варианта Arduino. Распространенной ошибкой является подача на этот вывод напряжения источника питания 5 В или 3,3 В. Проблема с этим заключается в том, что вы не только обеспечили трудности с упомянутыми ранее потерей линии и сопротивлением контактов, но и что этот вывод является входом для встроенной схемы регулирования. Как и в случае любого стабилизатора напряжения, вам нужно подавать немного больше напряжения на устройство, чем вы ожидаете получить от него. Если мы подадим 3,3 В на Vin, мы потеряем около 0,5 вольт через стабилизатор. Это означает, что микропроцессор и подключенные периферийные устройства в лучшем случае будут работать только на 2,8 В. В сочетании с нашими потерями в линии и снижением сопротивления контактов мы будем работать намного ниже необходимого уровня напряжения.
Несмотря на описанную выше проблему, использование выводов VIN или RAW является решением проблемы потери напряжения источника. На плате Arduino контакты VIN или RAW являются входом регулятора напряжения на плате Arduino. Все, что нам нужно сделать, это подать напряжение в указанном диапазоне, чтобы получить желаемый регулируемый выход на Arduino. Напряжение питания от 6 до 12 В, подаваемое на Vin или RAW, будет питать микроконтроллер Arduino, преодолевать любую потерю напряжения на линии или контактном сопротивлении и обеспечивать выходное напряжение на выводы 5 В и 3,3 В Arduino для питания периферийных компонентов. Диапазон входного напряжения Arduino основан на требованиях к напряжению на всей плате, включая энергию, необходимую для микроконтроллера для питания периферийных устройств.
Готовые источники питания в диапазоне от 7 до 12 В постоянного тока не так распространены, как источники питания 3,3 В или 5 В постоянного тока, но они доступны. Соблазнительно использовать более распространенные источники питания 5 В и 3,3 В постоянного тока для плат Arduino, но из-за представленных выше фактов необходимо использовать менее распространенные альтернативы для лучшего стабилизирования напряжения и лучшей производительности микроконтроллера.
© digitrode.ru