Последнее время мне стали часто попадаться упоминания контроллеров Teensy, причём в самых интересных и мощных проектах. Какое-то время я не обращал на это внимание, но потом заинтересовался этой темой и чем дальше я в неё погружался, тем больше впечатлялся.

Оказывается, последняя версия Teensy 4 сделана на основе Cortex M7 и работает на частоте 600 МГц, причём ядро там довольно продвинутое и позволяет исполнять две инструкции за такт, использует предсказание ветвлений и аппаратную обработку 64-битных чисел с плавающей точкой, а также много чего ещё, в том числе имеет на борту много RAM, Flash и PSRAM памяти и т. д.

В общем, контроллер очень продвинутый и позволяет создавать проекты в области обработки звука, управления массивами светодиодов, вывода видео на LED экраны, создания музыкальных синтезаторов и т. д. и т. п.

В результате я пришёл к выводу, что с этим стоит познакомиться поближе и на Али был заказан комплект Teensy 4.1 с Audio и Ethernet расширениями, а затем я с большим удовольствием поэкспериментировал с этим железом. Ну а далее я предлагаю свой отчёт о проведённых экспериментах, а также поделюсь своими впечатлениями о Teensy 4.1.

❯ Teensy 4

Серия Teensy 4 состоит из двух моделей: Teensy 4.0 (урезанная версия) и Teensy 4.1 (полная версия). Teensy 4.0 «урезана» не в смысле функционала (ядро там такое же), а в смысле форм-фактора — младшая модель имеет плату меньшего размера с меньшим числом пинов, поэтому на ней просто физически нет места для картридера и Ethernet чипа.

Также, в экосистему Teensy входят и некоторые дополнительные компоненты, например, Audio плата, выносной Ethernet разъём, USB хост разъём и пр. Это сделано для того, чтобы пользователь мог выбрать нужную для его проекта конфигурацию и не переплачивать за ненужные ему части.

❯ Ядро Cortex M7

В основе Teensy 4 лежит микроконтроллер i.MX RT1060 на ядре Cortex M7 производства NXP Semiconductors. Штатно ядро работает на частоте 600 МГц и потребляет при этом около 100 мА. Ядро позволяет как снижать тактовую частоту для экономии энергии, так и наоборот, разгонять её до 1 ГГц, если этого требует решаемая задача.

Как я уже отметил выше, ядро позволяет исполнять две инструкции за такт, использует предсказание ветвлений и аппаратную обработку 64-битных чисел с плавающей точкой. Кроме того, ядро поддерживает DSP инструкции, которые ускоряют обработку сигналов, имеет на борту генератор случайных чисел, крипто-акселератор и множество других возможностей.

Результат бенчмарка CoreMark, который лучше всяких слов говорит о том с чем мы мы имеем дело.

Teensy 4 в 330 раз быстрее (мощнее) чем ATmega2560, в 24 раза быстрее Arduino Due и в 6,5 раз быстрее в вычислениях, чем ESP32. Плюс нужно помнить, что Teensy 4, в отличие от ESP32, снабжена полноценным набором пинов и множеством других функций.

❯ Память

Штатно на Teensy 4.1 присутствует 8 МБ Flash памяти и 1 МБ оперативной памяти. Для контроллера это очень много и я даже затрудняюсь придумать задачу, которой потребовалось бы такое количество памяти. Единственное, что приходит в голову — это хранение данных и вычислений в аудио, видео, научных приложениях и приложениях управления матрицами светодиодов.

Но и этого создателю Teensy 4 (Paul Stoffregen) показалось мало и он предусмотрел возможность добавления ещё 8/16 МБ PSRAM и/или Flash памяти на плату.

Итого, Teensy 4.1 может иметь следующие конфигурации памяти:

8 МБ Flash + 1 МБ ОЗУ + 8 МБ PSRAM + ещё 8 МБ Flash

или

8 МБ Flash + 1 МБ ОЗУ + 16 МБ PSRAM

Внутренняя память 1 МБ разбита на два пула по 512 КБ, причём первый пул (RAM1) имеет быстрые 64/32-битные шины связи с процессором, а второй пул (RAM2) оптимизирован для DMA доступа (32 канала).

Имеется также два кэша по 32 КБ для ускорения работы с не TCM памятью.

В качестве EEPROM имеется 4284 байта памяти, эмулируемых во Flash.

❯ GPIO

Teensy 4.1 имеет 55 GPIO, 35 из которых поддерживают функцию PWM и 18 аналоговых входов (10/12-бит).

Все GPIO поддерживают работу с прерываниями и могут конфигурироваться на вход и выход с использованием подтягивающих резисторов INPUT_PULLUP, INPUT_PULLDOWN, OUTPUT_OPENDRAIN и т. д. GPIO на Teensy 4.1 поддерживают также различные продвинутые функции, наподобие настраиваемой нагрузочной способности и регулируемой полосы пропускания.

Лучше всего о количестве и назначении GPIO Teensy 4.1 скажет распиновка платы контроллера.

Кроме этого, Teensy 4.1 содержит ещё огромное количество функций и возможностей, перечислять которые здесь не входит в мою задачу — всю эту информацию можно найти в официальной документации производителя.

Приведу здесь только краткий список основных характеристик контроллера:

• ARM Cortex M7 600 МГц

• Блок вычислений с плавающей точкой, 32 и 64 бита

• 32 DMA канала

• 7936 КБ Flash, 1024 КБ RAM (2x512K), 4 КБ EEPROM (эмуляция)

• Опционально QSPI расширение памяти, два чипа PSRAM/Flash

• 55 GPIO (35 PWM)

• 18 аналоговых входов

• 8 Serial, 3 SPI, 3 I2C портов

• 2 I2S/TDM и S/PDIF цифровой аудио порт

• 3 CAN интерфейса (один с CAN FD)

• SDIO (4 bit) встроенный порт SD карты

• 10/100 Ethernet (DP83825 PHY)

• USB устройство 480 Мб/с и USB хост 480 Мб/с

• Ускорение криптографических функций и генератор случайных чисел

• Часы реального времени (RTC)

• Конвейер обработки графики

• Управление питанием (Low-Power и Power On/Off)

• Прочие функции
  

❯ Внешний вид

Поставляется Teensy 4.1 в более чем скромной упаковке. Вообще-то должна быть ещё листовка с распиновкой и упаковочный пакт должен быть другим. Судя по всему, это не оригинальный контроллер, а его китайская копия (причём, что интересно, дороже оригинала).

Весь комплект выглядит следующим образом: контроллер Teensy 4.1, Audio плата, Ethernet разъём с кабелем и кабель с USB входом.

Пинов и разъёмов в комплекте нет, поэтому всё это изобретать и колхозить придётся самостоятельно. И тут, в самом неожиданном месте, нас ожидает засада: геометрия плат, мягко говоря, странная, особенно это касается Audio платы (но об этом подробнее ниже).

❯ Паяем контроллер

С длиной платы разработчик явно переборщил. Работа с такой узкой и длинной платой не очень комфортна: при любом механическом усилии, например, при извлечении из жёсткой макетки, плата грозит переломиться пополам или повредить тонкие дорожки из-за механического изгиба.

Если посмотреть на распиновку выше, то становится понятно, что плата Teensy 4.1 является удлинённой и совместимой по пинам копией Teensy 4.0. В чём-то это даже неплохо — эта совместимость позволяет использовать аксессуары (например Audio плату) с обоими типами контроллеров.

С распайкой пинов тоже не всё так просто: нельзя просто так взять и распаять Teensy 4.1 (смайл). Если сначала распаять боковые пины, то потом будет крайне сложно запаивать многочисленные разъёмы, которые присутствуют на плате. Поэтому сначала нужно паять пины разъёмов, а затем уже боковые пины.

Кроме этого, тут присутствует ещё один нюанс — если сразу запаять все линейки боковых пинов, то потом, если они вам понадобятся, будет проблематично припаять микросхемы дополнительной памяти.

Не сказать, что дополнительная память на Teensy мне очень нужна, но не хочется закрывать себе возможность в будущем допаять нужные микросхемы. Поэтому я просто оставил несколько боковых пинов нераспаянными. В будущем их можно будет в любой момент допаять, а если понадобится дополнительная память, то не будет проблем и с её добавлением.

❯ Audio плата

Чем руководствовался разработчик, когда делал эту плату мне не очень понятно. Она какая-то несуразная, с какой стороны на неё ни взгляни. Ряды пинов для установки Teensy проходят прямо посередине платы, сбоку, без всякой системы, налеплены дополнительные элементы.

Когда это собирается в общий бутерброд, то получается какая-то странная конструкция, ни на что не похожая и весьма корявая на вид. Особенно это касается связки с длинной Teensy 4.1.

Я долго думал как всё это грамотно и максимально функционально запаять и остановился на варианте с проходными разъёмами с длинными пинами, чтобы Audio плату можно было вставить в макетку (или другую плату) и одновременно сверху прикрепить Teensy 4.1.

А вот к собственно функционалу Audio платы у меня претензий нет. Она сделана на чипе SGTL5000, имеет два I2S/TDM и один S/PDIF порт, микрофонный вход, картридер для microSD карт памяти и аудио выход.

Народ на этой плате и этом комплекте с Teensy творит чудеса (чуть подробнее о программировании обработке звука будет сказано ниже).

❯ Ethernet

Как вы уже заметили, у Teensy (в отличие от ESP32) «из коробки» отсутствует поддержка сетевых интерфейсов. А это, безусловно, важнейшая часть любой микроконтроллерной системы — одно дело одиночный контроллер и совсем другое — контроллер с сетевым управлением.

На плате Teensy 4.1 присутствует чип Ethernet физики DP83825 и для подключения к локальной сети нужно ещё добавить разъём RJ45 со специальным шлейфом.

И снова возникает вопрос к разработчику: на микро-плате разъёма нет свободного места и отсутствуют отверстия или какие-либо элементы его крепления. И каким образом предполагается крепить всю эту конструкцию? Особенно учитывая то, что она испытывает довольно значительные механические нагрузки при коммутации патч-кордов.

❯ Софт

Теперь нужно сказать несколько слов о программном обеспечении для всей этой экосистемы. Как бы ни был хорош контроллер, без программного обеспечения это просто кусок текстолита с детальками. А вот с софтом у Teensy всё просто отлично. Поддерживаются:

• Arduino IDE + Teensyduino

• Visual Micro (Microsoft Visual Studio)

• PlatformIO

• CircuitPython

• Command Line with Makefile

Другими словами, какой бы квалификацией вы ни обладали и к какой касте программистов вы себя ни причисляли, с программной частью реализации ваших идей на Teensy проблем не будет.

Главное, чтобы сами идеи были (смайл).

❯ Arduino

Далее я в двух словах расскажу об инсталляции системы и принципах работы с ней в среде Arduino. Тут тоже есть несколько нестандартных и неочевидных моментов.

Прежде всего, на вашем компьютере уже должна быть установлена Arduino IDE. Причём не имеет значения в каком варианте она установлена — одинаково хорошо поддерживается интеграция и с обычной и «portable» версиями Arduino. В моём случае использовалась portable версия Arduino 1.8.5.

Со страницыскачивается Teensyduino и в несколько кликов устанавливается поверх вашей Arduino IDE.

После этого в вашей привычной среде Arduino появляется поддержка всего семейства контроллеров Teensy, с совместимыми библиотеками и примерами использования нового контроллера. Всё происходит очень гладко и совершенно беспроблемно. Все ваши старые настройки остаются нетронутыми.

Тут мне хотелось бы отдельно отметить эту очень приятную особенность программной поддержки Teensy. На удивление всё работает без каких-либо глюков и проблем. Это совершенно нехарактерно для Arduino — я уже привык, что постоянно возникают какие-то проблемы, но с Teensy этого не происходит — всё работает как часы.

В базовой поставке Teensyduino я насчитал 92 (!) совместимые библиотеки. Причём все библиотеки, что я успел опробовать, тоже работали отлично — ни глюков, ни ошибок компиляции, вообще ничего такого — всё просто работает так, как и должно работать (что, как я уже отметил, даже непривычно).

❯ Компиляция и загрузка

Поскольку в Teensy 4, кроме основного M7, используется еще вспомогательный микроконтроллер NXP MKL02Z32 (M0), при помощи которого происходит загрузка программы в память основного контроллера, то процедура загрузки скетча тоже несколько отличается от стандартной.

После инсталляции Teensyduino, во время первой компиляции, нужно нажать кнопку на контроллере.

Далее система опознаёт вашу плату Teensy и затем уже работа с Arduino IDE происходит как обычно. Все действия по согласованию с контроллером система проводит самостоятельно и прозрачно для пользователя.

❯ Audio

Teensy 4.1 в одной из своих частей «заточена» для работы со звуковыми потоками и обработки и генерации звуков. Это отдельная огромная тема, здесь я только отмечу основные моменты.

Народ использует Teensy для создания синтезаторов и прочих устройств работы со звуком. Прелесть всей этой системы заключается в том, что готовый синтезатор стоит тысячи долларов, а точно такой же на Teensy — всего сотню-другую. По этой теме в интернете существует множество проектов, в том числе и открытых.

В среде Teensyduino для программирования аудио существуют специальные функции, которые можно использовать как и любые другие функции в среде Arduino. Плюс к этому существует ещё и специальный визуальный редактор.

Он позволяет конструировать нужную обработку аудио сигналов из стандартных блоков, просто соединяя их входы и выходы. После нажатия кнопки «Export», визуальная конструкция преобразовывается в обычный код Arduino.

❯ Тестирование

Это всё отлично, но хотелось бы проверить Teensy 4 на чём-нибудь более сложном, чем простые примеры из библиотек. В качестве более серьёзного теста попробуем портировать систему AMS на новую платформу Teensy 4.1 (Cortex M7).

Это уже более серьёзный тест, который задействует работу вычислительного ядра микроконтроллера, взаимодействие его с чипом Ethernet физики DP83825, реальную сетевую работу, параллельное взаимодействие с microSD картой памяти и прочие ресурсы системы. И нормально работать эта связка будет только в том случае, если всё задействованное железо работает нормально и весь управляющий софт адекватно взаимодействует с этим железом.

Примечание. Проверка производилось на внутренней тестовой сборке AMS для Teensy 4.1. Распространение этой версии не планируется, возможно это будет сделано позже, после соответствующих доработок.

Что лично меня приятно удивило, то это такая же беспроблемная работа Teensy с сетевым чипом, как и общая адекватная работа самого контроллера — сетевое соединение просто работает. Отсутствуют какие-либо глюки или проблемы.

Система загрузилась, стартовали все сервисы, всё железо адекватно определилось, по сети без проблем получено время по NTP. Сервер работает в тестовой конфигурации.

Ещё небольшой коммент, это уже наверное в качестве курьёза. Ниже представлено наглядное сравнение объёмов оперативной памяти Arduino Mega и Teensy 4.1. Здесь мы имеем в 125 раз больше оперативной памяти (смайл).

Как говорится, почувствуйте разницу. Тут уже, при наличии соответствующей квалификации, можно запилить свой собственный мини-Linux и вообще ни в чём себе не отказывать.

❯ Примеры проектов

На Teensy 4 сделано огромное количество проектов — роботы, квадрокоптеры, синтезаторы, системы иллюминации на светодиодах, вывод видео на LED матрицы и прочие виды дисплеев, анализаторы и визуализаторы сигналов и т. д. и т. п.

В качестве наглядного примера одного из таких (потрясающих) проектов можно посмотреть ролик о работе светодиодного куба 16х16х16 на светодиодах WS2812 с индивидуальной адресацией. Всей этой феерией из 4096 светодиодов управляет… да, именно Teensy 4.

Также для Teensy различными компаниями и отдельными энтузиастами выпускаются «материнские» платы для различных сфер применения — от тех же плат синтезаторов до целых комплексов для разработки на Teensy.

❯ О чём не удалось рассказать

Очень и очень о многом. Teensy 4.1 — это невероятно обширная тема, все аспекты которой невозможно охватить в одной статье. За бортом осталось описание криптографических возможностей Teensy, работа в качестве периферийного устройства или USB хоста, работа часов реального времени (RTC), управление питанием и режимами работы контроллера, работа с DMA каналами доступа к памяти, работа с таймерами и т. д. и т. п.

❯ Проблемы

Проблем я не заметил, из того, что мне не очень понравилось, могу отметить только большое время компиляции проекта. Ни для одной другой платформы код так долго не компилируется. На i5 работать не очень комфортно, желательно использовать какое-то более мощное железо.

Из приколов могу отметить только отсутствие кнопки «Reset» на плате контроллера. Как автор такой великолепный разработки до этого додуматься — совершенно непонятно. В руководстве предлагается перезагружать контроллер программно. Тут я даже не знаю что сказать.

❯ Заключение

Мощная платформа с великолепными возможностями и качественной программной поддержкой — у меня за всё время тестирования не было ни одного инцидента — всё работает как часы.

Ну и совершенно замечательная игрушка для гиков, платформа для обучения и платформа для реализации ваших самых дерзкихкреативных проектов.

А ещё я держу все свои проекты у одного облачного провайдера — Timeweb Cloud. Потому нагло рекомендую то, чем пользуюсь сам — вэлкам :)

Хочешь стать автором (или уже состоявшийся автор) и есть, чем интересным поделиться в рамках наших блогов — пиши сюда.

Не могу сказать, что в ВУЗе я был закоренелым троечником, но единственное, что мне запомнилось из курса теории автоматического управления, что операционный усилитель с отрицательной обратной связью сам по себе уже является регулятором. Именно эту гипотезу я решил проверить, разрабатывая схему, которой посвящена статья.

Кроме регулятора на ОУ, схема содержит ШИМ-преобразователь на транзисторном источнике тока и компараторе для управления нагревателем и вентилятором, схему задержки на логических микросхемах, инфракрасный детектор дистанционного включения, схему индикации и, как обычно в моих проектах, ни одного микроконтроллера.

А если вы считаете, что регуляторы на операционных усилителях утратили свою актуальность, посмотрите современные методички некоторых вузов по ТАУ. ))

❯ Конструкция макета

Мое увлечение электроникой началось еще до того, как в широком обиходе появились радиоэлектронные компоненты для поверхностного монтажа (SMD). И их появление для меня стало манной небесной — это же сколько времени можно экономить радиолюбителю на сверлении бесконечного количества отверстий в печатной плате!

Достаточно давно я стараюсь обходиться без осевых компонентов. Но иногда находит тоска по былому и хочется помедитировать с пинцетом над формовкой гибких выводов и проволочных перемычек. Да и односторонние печатные платы не каждый день трассировать приходится. Именно это привело меня к разработке этой схемы.

Устройство представляет собой сушилку для рук, точно такую, как каждый может встретить во многих общественных местах. Общий вид печатной платы показан на фотографиях.

На фотографии можно заметить, что в качестве имитации нагревательного элемента использован мощный резистор, на корпус которого каптоновым скотчем приклеен датчик температуры. Вентилятор использовал обычный компьютерный. Датчик температуры — NTC-резистор на 10 кОм. В общем, механическая часть меня не очень интересовала, как-то обозначил ее наличие, и ладно.

Зато печатная плата получилась отлично. Собирать ее было одно удовольствие. Кстати, изготовлена она на специализированном фрезерном станке. Об этом есть запись в моем блоге, если интересно, можете посмотреть подробнее.

Функциональность устройства ничем не отличается от привычных всем бытовых приборов. Подносишь руки к инфракрасному датчику — включается поток теплого воздуха. Температура нагревателя настраивается «на глазок», но держится достаточно стабильно. Время включения можно выбирать положением перемычки, доступно три интервала. С помощью DIP-переключателя можно настраивать момент отключения нагревателя. Это сделано для исключения перегрева внутри прибора — нагреватель можно отключить заранее, а вентилятор его остудит и выгонит горячий воздух.

❯ Описание структурной схемы

Мы уже рассмотрели, как это должно функционировать. Теперь самое время погрузиться в схемы. Начнем со структурной схемы, которая показана на рисунке ниже.

Начало подачи теплого воздуха запускается ИК-сенсором B1. При его срабатывании схема включает нагревательный элемент F2 и вентилятор F1. Время включения вентилятора определяется положением перемычки в блоке делителя частоты А2. Время включения нагревательного элемента зависит от состояния DIP-переключателя E3. При каждом повторном срабатывании ИК-сенсора B1 схема управления E начинает отсчет времени включения вентилятора и нагревательного элемента с начала.

ИК-сенсор B1 управляется короткими импульсами с частотой 2 Гц от генератора A1. ФВЧ B2 необходим для того, чтобы отфильтровывать постоянную составляющую на выходе ИК-сенсора, вызванную фоновой засветкой датчика. Аналоговый компаратор B3 имеет регулировку для настройки дистанции срабатывания ИК-сенсора B1.

Схема управления E формирует сигналы включения нагревательного элемента и вентилятора. Импульс «START» сбрасывает счетчик E1, после чего он начинает счет 15 импульсов от опорного генератора A. После 15 импульсов счетчик игнорирует все последующие поступающие тактовые импульсы до поступления следующего импульса «START». Пока счетчик E1 ведет счет импульсов, сигнал «ENABLE_CULLER» принимает активное состояние. Сигнал «ENABLE_HEATER» принимает активное состояние, пока выход счетчика E1 имеет двоичное значение на выходе меньше, чем установлено на DIP-переключателе E3.

Схема измерения C предназначена для измерения температуры нагревательного элемента с помощью температурного сенсора C1, который установлен непосредственно на нагревательном элементе. На основе выходного сигнала «TEMPERATURE» схема регулирования D формирует сигнал ШИМ «PWM_HEATER» для схемы управления нагревателем.

Мощность, подаваемая на вентилятор схемой управления F1, определяется потенциометром D3. Уровень напряжения на нем определяет коэффициент заполнения ШИМ-сигнала «PWM_CULLER».
Формирование ШИМ-сигналов производится на основе пилообразных импульсов с частотой 160 Гц, формируемых генератором D1 и ГЛИН D2.

❯ Описание электрической схемы

В духе лучших традиций проектирования синхронных последовательностных схем, тактирование всей логики управления будет осуществляться от общего генератора на основе таймера NE555. Эта старая добрая микросхема всем хорошо известна и отлично подходит в моем случае из-за достаточно низкой требуемой частоты и отсутствия каких-либо особых требований к стабильности.

Тактовый сигнал CLK_2HZ через транзистор Т3 включает инфракрасный светодиод оптического датчика U1. Когда мы достаточно близко подносим руки, ИК-лучи переотражаются от них и засвечивают фототранзистор. Импульсы переменного тока проходят через фильтр верхних частот С20, С22, R25, а постоянная составляющая от фоновой засветки датчика отсекается. Из-за низкой частоты переключения светодиода фильтр должен иметь как можно более низкую частоту среза. Но в данной схеме этим вполне можно пожертвовать, зато практически не понадобилось подбирать его номиналы.

Далее тактовый сигнал продолжает гулять по схеме и попадает на вход делителя тактовой частоты IC13B. Счетчик двоичный и мог бы делить тактовые импульсы до 16 раз. Но я решил ограничиться всего тремя джамперами, импульсы при этом могут замедляться примерно до половины герца.

Следующая схема представляет собой счетчик интервала включения вентилятора и нагревательного элемента. Применение двоичного счетчика IC13A здесь позволяет получить отложенное время выключения до 8-ми секунд.

Досрочное отключение нагревательного элемента производится цифровым компаратором IC12. Микросхема 74НС85 по нынешним временам достаточно экзотическая, но их запасы еще имеются на радиорынках.

Для регулирования мощности нагревательного элемента и скорости вращения вентилятора используется отдельный генератор импульсов IC11A. Триггер я использовал исключительно для разнообразия в схемотехнике, тем более что для последующей генерации пилы необходимо подавать периодический сигнал с очень короткими импульсами в сравнении с его периодом. Частота импульсов составляет 160 Гц — это минимальная частота, на которой кулер начинает вращаться без рывков, и можно сильно не заморачиваться по поводу драйверов для силовых ключей. А с учетом характера нагрузки нет особой разницы, на какой частоте будет ШИМ.

Формирование линейного нарастания пилообразных импульсов осуществляется за счет заряда конденсатора С5 постоянным током через стабилизатор на транзисторе Т5. На самом деле форма пилы для данной схемы вообще не имеет значения, и заряжать конденсатор можно было бы через обычный резистор, но мне захотелось реализовать источник тока.

Для обеспечения максимально крутого обратного фронта пилы конденсатор С5 должен быстро разряжаться через транзистор Т1 в конце каждого периода импульсов с частотой 160 Гц. Это достигается за счет очень большой скважности тактирующего сигнала.

Формирование ШИМ-сигнала для регулирования скорости вращения вентилятора осуществляется операционным усилителем IC15B, выполняющим роль компаратора. Почему я не использовал компаратор? Потому что у меня скопилось очень много LM358, надо их куда-то использовать.

Компаратору на ОУ было бы неплохо иметь хотя бы положительную обратную связь. Но мощности в схеме небольшие, частоты низкие, да и сам LM358 очень медлительный. Так что о шумах при переключении можно особо не переживать, на практике фронт ШИМ-импульсов получается достаточно чистым.

Мощность, а следовательно, и скорость вращения вентилятора определяется положением переменного резистора R22. Резистор R24 нужен для более эффективного использования угла поворота резистора R22. А резистор R23 ограничивает минимальный коэффициент заполнения ШИМ и не позволяет полностью остановить вентилятор, что исключает перегрев нагревательного элемента.

Управление вентилятором выполняется с помощью транзистора Т2, который осуществляет коммутацию питания под воздействием ШИМ-сигнала, выработанного предыдущей схемой. Логический вентиль «И» IC2A в зависимости от состояния сигнала схемы счетчика интервала разрешает или запрещает работу вентилятора.

Светодиод D4 служит индикатором включения сушилки.

Для контроля температуры нагревательного элемента применяется NTC-резистор с сопротивлением 10 кОм. Он подключается к соответствующему разъёму в верхней части резистивного делителя напряжения.

Необходимая температура нагревательного элемента задаётся с помощью переменного резистора R17. Усилитель IC3A сравнивает напряжение, установленное R17, с напряжением, поступающим от датчика температуры, и формирует сигнал ошибки.

Второй усилительный каскад на IC3B регулирует усиление сигнала ошибки. Это позволяет достичь баланса между скоростью разогрева нагревательного элемента и точностью поддержания заданной температуры.

Формирование ШИМ-сигнала для нагревательного элемента происходит по аналогии со схемой управления вентилятором. Отличие заключается в том, что заполнение ШИМ-сигнала определяется сигналом усилителя датчика температуры.

Поскольку ток, потребляемый нагревательным элементом, является значительным, для его коммутации был использован полевой транзистор Q1. Драйвер затвора Q1 выполнен по полумостовой схеме на биполярных транзисторах Т4, Т6. Разрешение работы нагревателя осуществляет вентиль «И» IC2B.

Светодиод D3 служит индикатором состояния нагревательного элемента. При нормальной температуре он должен мигать. Напряжение на делителе R40, R41 приблизительно соответствует напряжению, которое установилось бы на выходе датчика температуры при перегреве нагревательного элемента. Следовательно, если температура воздуха станет слишком высокой, светодиод мигать перестанет.

Питание схемы осуществляется от блока питания на 12 В. Для формирования напряжения 5 В, необходимого для питания схемы управления, используется стабилизатор напряжения IC14.

На рисунке ниже я разместил общую электрическую схему. На мой взгляд, она получилась не такой сложной и вполне логичной, ну или как минимум понятной и предсказуемой в работе.

❯ Заключение

Конечно, если вы разрабатываете регулятор для узлов атомной электростанции или системы питания газовой турбины, стоит подойти к проектированию регуляторов более ответственно и, возможно, отказаться от использования операционных усилителей. Современный микроконтроллер подойдет для решения этой задачи значительно лучше. Но для понимания базовых принципов работы регуляторов эта схема вполне пригодна. А если учитывать, что проектировалась она больше с целью радиолюбительского хобби и организации досуга, она справилась с поставленной задачей на все сто. Надеюсь, что вам было так же интересно читать эту статью, как и мне над ней работать.

Написано специально для Timeweb Cloud и читателей Пикабу. Больше интересных статей и новостей в нашем блоге на Хабре и телеграм-канале.

Хочешь стать автором (или уже состоявшийся автор) и есть, чем интересным поделиться в рамках наших блогов (за вознаграждение) — пиши сюда.

Облачные сервисы Timeweb Cloud — это реферальная ссылка, которая может помочь поддержать авторские проекты.

📚 Читайте также:

• Сложно о простом. Как работает интернет. Часть 1. Что такое коммутатор, маршрутизатор и примеры работы простых сетей

• Вернер Бухгольц. Байт на Stretсh

• Комменты — наше все! История онлайн-комментариев.

«Я не такая», «со мной этого точно не может случиться» — говорили они, но упорно продолжали пихать батарейки в пульт для телевизора не той стороной…

При проектировании многих схем, особенно со сменным батарейным питанием, наличие защиты от переполюсовки в них ну просто обязано быть. И если вы уверены, что для решения данной проблемы достаточно одного диода, эта статья написана точно для вас. Мы подробно рассмотрим и проведем моделирование нескольких схем защиты от переполюсовки, оценим возможности их применения. В заключении я сформулирую краткую дорожную карту по выбору варианта схемотехнического решения под конкретный случай.

Всех неравнодушных к электронике прошу в статью!

❯ Механическая защита

Очень распространенный метод. Большинство современных разъемов, и практически все силовые, имеют механическую «защиту от дурака» — конструкция ответных разъемов позволяет соединить их только в одном положении, при котором соблюдается требуемая последовательность подключения. Но данный способ защиты не должен исключать других способов, и лучше применять его совместно с электронной защитой.

Часто с механической защитой применяют цветовую маркировку проводов. Это позволяет привлечь дополнительное внимание человека, осуществляющего подключение.

Замечу, что механическая защита от переполюсовок не всегда упрощает устройство. Электрическая схема конечно же будет проще, но платой за это может быть усложнение механической сборки изделия, трассировки и пайки печатной платы. Посмотрите, как усложнился разъем USB-C в сравнении с USB-A только ради того, чтобы упростить его использование и сохранить «защиту от дурака». Два ряда контактов с повышенной плотностью размещения, что требует более высокого класса печатной платы и большего числа ее слоев. Как-то надо это еще и спаять. И все это ради того, чтобы пользователь мог воткнуть штекер в гнездо не глядя.

❯ Последовательное включение диода

Когда речь идет о защите цепей питания от нештатного попадания в них напряжения обратной полярности, на ум сразу приходит обычный полупроводниковый диод. И действительно, диод обладает свойством односторонней проводимости, что позволит легко и без затей преградить путь току в неположенном направлении.

Схема на картинке иллюстрирует самый распространенный способ защиты от переполюсовки с помощью диода. Для большей наглядности в качестве нагрузки я буду использовать светодиод в компании токоограничивающего резистора.

При выборе диода нужно учитывать, что его средний прямой ток (Average Forward Current) должен быть больше с учетом некоторого запаса, чем средний ток потребления защищаемой схемы. Если защищаемая схема может потреблять импульсный ток, необходимо сопоставить его с повторяющимся импульсным прямым током диода (Repetitive Pulsed Forward Current) или не повторяющимся (Peak or Surge(Non-repetitive)Forward Current), если импульсы тока не периодические.

Посмотрим на эту схему в работе, чтобы наглядно оценить ее особенности. При «правильном» подключении питания диод открыт, ток поступает в нагрузку. При смене полярности питающего напряжения диод закрывается и предотвращает протекание тока через нагрузку в обратном направлении. Чтобы диод сохранил работоспособность после переполюсовки питания, необходимо, чтобы его максимальное обратное напряжение (Reverse Voltage) превышало максимально возможное напряжение, поступающее на схему.

Но, за все надо платить. И расплатой за простоту данной схемы является потеря напряжения и мощности на диоде. Я добавил еще один вольтметр в схему. Путем нехитрых вычислений видно, что на диоде падает 0,7 В. При токе нагрузки в 10мА мы теряем 7 мВт мощности. При таком маленьком токе это не страшно. И на фоне напряжения питания 12 В потери напряжения на диоде не кажутся такими ощутимыми.

Но если условия эксперимента изменятся, то результат работы схемы может быть неудовлетворительным. Ток потребления современных устройств, даже мобильных, может быть весьма немаленьким… для применения диодов. Также мы наблюдаем устойчивую тенденцию на снижение величины питающих напряжений.

При токе потребления уже в 10 А на диоде мы потеряем 7 Вт. Диод будет очень теплым или радиатор под ним будет немаленьким. А если питание будет осуществляться от аккумулятора с номинальным напряжением 3,6 В, то полезной нагрузке достанется всего 2,9 В, и это уже потери примерно в 20 %. В подобных случаях использование диода в таком включении явно не годится.

Что же делать? Можно попробовать подобрать диод с меньшей величиной прямого падения напряжения (Maximum instantaneous forward voltage drop per diode или forward voltage). Но вряд ли из этого получится что-то хорошее. У диодов с более высоким рабочим напряжением будет более высокое прямое падение напряжения. Также диоды, рассчитанные на высокий ток, тоже имеют большое падение напряжения.

Таким образом, подобное решение больше подходит для схем с напряжением питания выше 5 В и незначительным потреблением тока, когда потребляемая мощность больше зависит от величины напряжения питания.

Если к рассмотренной схеме добавить пару конденсаторов, то мы дополнительно получим отличный фильтр от провалов в напряжении питания. Когда входное напряжение просядет ниже, чем напряжение на конденсаторе С2, диод не позволит ему разряжаться в цепи питания, и вся его энергия будет расходоваться на поддержание работы вашей схемы.

❯ Параллельное подключение диода

Удивительная история, но в радиолюбительских схемах встречается такое решение. На рисунке ниже можно видеть, что диод имеет обратное включение параллельно нагрузке. Отчасти это может быть оправданно в бюджетных схемах с критически низким напряжением питания, где падение напряжения на последовательном диоде — непозволимая роскошь. Но я не сторонник такого подхода, так как он не может считаться безопасным для некоторых случаев.

Принцип действия схемы заключается в том, что при смене полярности диод открывается и замыкает через себя источник питания. Если источник питания имеет встроенную защиту, то он уйдет в защиту, и отключит свое выходное напряжение, приложенное к схеме неправильной полярностью.

Но если такой защиты нет… Модель на рисунке показывает как примерно может вести себя литиевый аккумулятор при переполюсовке. Обратите внимание, во сколько раз увеличивается ток по сравнению с обычным. Хотя напряжение источника ЭДС сильно просело, ток на какое-то время возрастет на несколько порядков. И будет расти пока что-то не перегорит. Или не выдержит диод, а может отгорят проводники от батарейки, ну или еще что…

Для продления жизни диода при таких «шоковых» нагрузках, необходимо, чтобы параметры этого диода удовлетворяли характеристикам схемы защиты применяемого источника питания. Пиковый прямой ток диода (Peak or Surge(Non-repetitive)Forward Current) должен быть больше, чем ток отключения при коротком замыкании источника питания. Время, в течении которого допускается воздействие на диод током короткого замыкания, должно превышать время включения защиты источника питания. Пиковый ток для диодов обычно указывают за половину периода сетевого напряжения 50 Гц, т.е. за 10 мс. Таким образом получается, что габариты диода будут значительно больше, чем в случае с последовательным подключением диода.

Если вы не можете гарантировать параметры применяемого совместно с вашей схемой источника питания, то ограничить ток через защитный диод можно с помощью предохранителя. Предельный ток предохранителя должен быть больше, чем максимальный ток потребления нагрузкой. Время воздействия тока короткого замыкания будет теперь зависеть от времени перегорания предохранителя, а диод должен в течении этого времени «потерпеть».

Чтобы облегчить страдания диода, по входу питания можно разместить низкоомный резистор. Он не должен оказывать влияние на работу схемы, для этого его сопротивление должно быть много меньше, чем эквивалентное сопротивление этой схемы. Этот резистор будет обладать еще одним полезным свойством — он ограничит величину пускового тока вашей схемы. Обратите внимание на модель, всего 1 Ом по входу снизил ток короткого замыкание почти на порядок.

Также следует учитывать, что при переполюсовке питания открытый защитный диод будет включен с нагрузкой параллельно. Падение напряжения на открытом диоде (Maximum instantaneous forward voltage) должно быть ниже, чем совокупное обратное падение напряжения на вашей схеме, иначе она может пострадать. На схеме я специально добавил еще один светодиод, чтобы показать этот эффект. При переполюсовке для перегорания предохранителя понадобится какое-то время. В течении этого времени дополнительный светодиод успевает светиться. В реальной схеме в этот момент какие-то компоненты, обладающие низким допустимым обратным напряжением, могут перегореть.

❯ Диодный мост

Глядя на схемы устройств с питанием от сети переменного тока230 В 50 Гц, практически в каждой можно обнаружить диодный мост. Учитывая, что сетевое напряжение меняет полярность каждые10 мс, а диодный мост успешно справляется с его выпрямлением, невольно возникает соблазн использовать диодный мост для защиты от переполюсовки и в низковольтных схемах с питанием от постоянного тока.

Если вы решились на такой прием, то необходимо учитывать, что при прохождении через диодный мост не зависимо от полярности ток всегда встречает на своем пути два последовательно включенных диода. И мы получаем потерю напряжения питания примерно на1,5 В. В нашей модели при низковольтном питании напряжения после диодного моста едва хватает для питания светодиода.

Такая потеря на фоне сетевого напряжения 230 В составит меньше 1%. Также подобные устройства как правило содержат блоки, трансформирующие электрическую мощность. Высокое сетевое напряжение преобразуется в низкое, напряжение уменьшается в десятки раз, чтобы стать пригодным для питания микросхем и прочего. При этом также в десятки раз снижается ток, потребляемый из сети в сравнении с током, который течет по низковольтной части схемы. Как следствие, на диодном мосту выделяется крайне невысокая мощность, и это никак не влияет на общий КПД.

Если же мы будем использовать диодный мост для защиты от переполюсовки на постоянном токе при низком напряжении питания, то потери на диодах обязательно нужно учитывать.

❯ SBR — диоды

Лет десять назад компания Diodes Incorporated предложила свое решение проблемы переполюсовки в цепях питания, нацеленное на применение в автомобильной электронике — выпрямительные диоды с «супер барьером» (Super Barrier Rectifier – SBR). Особенностью диодов (SBR10M100P5Q на 10 А, 100 В и SBR8M100P5Q на 8 А, 100 В) является низкое прямое падение напряжения до 0,6 В и высокое быстродействие.

Основная проблема диодов Шоттки, которая ограничивала их применение в выпрямителях — это резкое увеличение обратного тока утечки при повышении температуры. Современная электроника достаточно теплонагруженная, что повышает риски пробоя при переполюсовке. SBR — диоды не имеют такой проблемы.

Аналогичные девайсы предлагают Toshiba и Philips, за ними потихоньку подтягиваются и другие производители. В общем, если порыть как следует, то можно найти подходящий диод даже на «Чип и Дипе» за вполне разумные деньги. Из ограничений на применение мы будем иметь токи 10 — 20 А, и предельное напряжение до сотни вольт и прямое падение напряжения честных 0,45 — 0,6 В.

❯ Релейная защита

Давайте не надолго погрузимся в мир силовой электроники и посмотрим, как обстоят дела с защитой от переполюсовки там. Оказывается, когда напряжения измеряются киловольтами, а ток сотнями и тысячами ампер, реле вновь обретают свою актуальность.

Не так давно для экспериментов на скорую руку собирали трехфазный выпрямитель на 100 кВт и схему непрерывного переключения между источниками питания. С учетом того, что прямое падение напряжения на подходящих диода составляет больше 2,5 В, при токе в 400 А диод превращается в электрический обогреватель. Как тут без реле обойтись? На данные мощности MOSFET и Sic полевики появились сравнительно недавно, стоят приличных денег, имеют падение напряжения примерно 1,5 В, и пока не вызывают доверия. А IGBT сборки имеют падение напряжения такое же, как на диоде. Вот и получается, что применение реле выглядит вполне оправданно.

Рассмотрим более приземленный случай защиты от переполюсовки с использованием реле. Как видно из схемы основные функции защиты здесь все-таки выполняет диод. Функция реле сводится к тому, чтобы минимизировать потери на открытом диоде. При переполюсовке диод закрыт, питание на обмотку реле не поступает, контакты реле разомкнуты. При подаче питания в правильной полярности диод открывается, ток поступает в нагрузку и в том числе на обмотку реле. Через короткий промежуток времени после этого контакты реле замыкаются, шунтирую диод, весь ток в нагрузку теперь поступает через замкнутые контакты реле с минимальными потерями мощности.

Недостатком схемы, кроме ограниченной надежности реле, является то, что через диод при включении проходит полный ток нагрузки. В следствии чего, диод может быть достаточно большим и дорогим. Компенсировать этот недостаток можно, если немного доработать схему. Теперь ток через диод поступает только в обмотку реле, величина тока в обмотке может быть намного меньше, чем в нагрузке. Следовательно диод можно использовать намного компактней.

Недостатком схемы в сравнении с первым вариантом можно считать меньшую надежность из-за того, что диод не используется для питания нагрузки, весь ток идет только через контакты реле. А поломка реле — явление не такое редкое.

❯ Схема защиты на полевом транзисторе P-типа

В современных электронных схемах в качестве защиты от переполюсовки с низким падением напряжения достаточно часто применяют силовые полевые транзисторы. Это позволяет минимизировать потери мощности, получаемой от источника питания, при практически полном отсутствии обратного тока.

Применение MOSFET транзисторов N типа конечно предпочтительнее. Они дешевле, сопротивление их канала значительно ниже, что обеспечивает более компактные размеры. Но использовать их можно только при условии, что нет необходимости подключать защищаемую схему к общей земле. А это сильно ограничивает область применения такой схемы защиты. Поэтому работу схемы мы рассмотрим на транзисторе P типа.

Канал MOSFET транзистора обладает симметричной структурой, что позволяет ему одинаково хорошо проводить ток в обоих направлениях, как от стока к истоку, так и обратно. Но из-за наличия в структуре MOSFET обратного диода использование транзистора в обратном включении для ключевого или усилительного режима не имеет смысла, так как при закрытом канале обратный ток будет протекать через этот диод. Также в MOSFET отсутствует ток между стоком или истоком и затвором. На этих свойствах полевых транзисторов основана простота данной схемы защиты.

При подаче на схему напряжения питания прямой полярности во время переходного процесса ток начинает протекать через обратный диод транзистора. Падение напряжения на нем как правило достаточно большое. Но этого достаточно чтобы создать падение напряжения в нагрузке. Так как нагрузка включена между истоком и затвором P-канального полевого транзистора, это создает отрицательное смещение затвора относительно истока. По мере нарастания напряжения питания, падение напряжения на нагрузке превысит пороговое напряжение затвора, и канал полевого транзистора откроется — падение напряжения на транзисторе сильно снизится и будет обусловлено только низким сопротивлением канала (Rds).

На графике мы можем увидеть момент открытия транзистора, это происходит, когда напряжение на затворе достигает -4 В, что соответствует пороговому напряжению затвора. Таким образом, следует подбирать такой транзистор, пороговое напряжение затвора (Gate Threshold Voltage, Vgs(th)) которого будет ниже, чем напряжение питания схемы.

Если же на схему случайно подать напряжение питания обратной полярности, то диод в транзисторе будет закрыт, открыть канал транзистора при этом будет невозможно. Ток через схему течь не будет, а напряжение на ней будет практически равно нулю. На схеме ниже видно, что все напряжение питания будет приложено между стоком и истоком транзистора, следовательно нужно подбирать такой транзистор, напряжение пробоя между стоком и истоком (Drain-to-Source Breakdown Voltage, V(br)dss или Drain-to-Source Voltage, Vds) у которого с запасом превышает максимальное напряжение питания схемы.

Также необходимо учитывать, что еще одним ограничением для полевого транзистора является сравнимо невысокое предельное напряжение между истоком и затвором (Gate-to-Source Voltage, Vgs). Обычно оно не превышает ±20 В, в редких случаях около ±30 В. Если напряжение питания будет больше этой величины, в схему можно добавить резистивный делитель.

Соотношение плеч делителя нужно подобрать так, чтобы при минимальном напряжении питания напряжение между затвором и истоком было выше порогового напряжения затвора, а при максимальном напряжении питания — напряжение затвора не должно превышать напряжение пробоя затвора (Vgs).

Если схема имеет расширенный диапазон питающих напряжений или предполагается наличие пульсаций с большой амплитудой, удобнее ограничить напряжение затвора с помощью стабилитрона, напряжение стабилизации которого должно быть выше порогового напряжения затвора и ниже напряжения его пробоя.

Наличие в схеме дополнительного делителя напряжения или защитного стабилитрона тоже приводит к дополнительной потери мощности, но мощность эта несопоставима меньше, чем при использовании защитного диода.

❯ Полевой транзистор N-типа с бустерной накачкой затвора

Основным ограничением на применение MOSFET транзистора P-типа является достаточно высокое пороговое напряжение затвора (Vgs(th)). Найти подходящий транзистор при низковольтном питании ниже 5 В может оказаться непростой задачей… или недешевой.
При этом все больше приложений на микроконтроллерах работают при напряжениях 3,3 В и даже ниже. В этом случае нам не помогут и N-канальные транзисторы, отключающие общий минус схемы.

Конечно же можно найти транзистор с пороговым напряжением затвора около одного вольта. Но и максимальное напряжение между стоком и истоком у него будет может быть 12 В или немного больше. И максимальная рассеиваемая мощность будет совсем невелика.

Если напряжение питания слишком низкое и требуется добиться минимального падения на защитном транзисторе, и минус схемы должен быть связан с общим проводом, можно использовать N-MOSFET и схему подкачки для управления его затвором. Схема должна генерировать дополнительное напряжение относительно плюса питания, которое прикладывается между затвором и истоком. Величина вольтдобавки обычно составляет около 10 В.

Принцип работы схемы можно посмотреть на анимации. В первый момент напряжение питания поступает на схему накачки напряжения через паразитный диод. Далее схема начинает генерировать повышенное напряжение. Как только это напряжение превышает напряжение питания на пороговое напряжение затвора, канал транзистора полностью открывается.

Изобретать схему вольтдобавки в компактном устройстве я бы не стал, и никому не советую. Тем более, что для этих целей есть подходящие микросхемы. В качестве примера приведу MAX16128, стоит сравнительно недорого, еще и предоставляет дополнительные функции защиты от перегрузки. Если защита от перегрузки не нужна, можно выкинуть один транзистор и оставить только второй по схеме.

Важное преимущество MAX16128 — это возможность работать при напряжении питания 3 В. А функции защиты обеспечиваются при напряжениях от -36 В до 90 В. Микросхема использует внешние ключи, вы можете самостоятельно подобрать транзисторы на необходимый ток.

Микросхемы, позволяющие реализовать защиту от переполюсовки, выпускают и другие производители, в том числе Texas Instruments. Например, микросхема серии TPS2662x позиционируются как электронные предохранители с широким набором функций защиты от перегрузок, в том числе защита от обратной полярности по входу и по выходу. Микросхемы содержат встроенные силовые ключи с рабочим током до 880 мА.

❯ Биполярные транзисторы в качестве защиты от переполюсовки

Конечно же, рассматривая схемы защиты от переполюсовки, нельзя пройти мимо биполярных транзисторов. Хотя это не самая популярная практика — мы получим больше недостатков, чем достоинств. Но при низких напряжениях питания и малом токе потребления это может быть вполне уместно. Пускай это будет тот самый злосчастный ультра бюджетный пульт от телевизора…

Использование транзисторов PNP и NPN отчасти схоже с полевыми транзисторами. Транзистор NPN типа также должен будет коммутировать минусовой провод питания. Поэтому принцип работы мы рассмотрим на примере PNP транзистора.

Попробуем оценить эту схему в деле. Для транзистора BC807-16 коэффициент усиления по току hfe заявлен от 100 до 250. Значит, что при выбранном для моделирования токе нагрузки 20 мА, для открытия транзистора достаточно обеспечить базовый ток 0,1 мА. Но на деле транзистор при этом еще не вышел в насыщение, и падение напряжения на нем составляет примерно 700 мВ. Это не сильно отличается от последовательно включенного диода.

Чтобы вывести транзистор в насыщение будет даже недостаточно рассчитать ток базы с учетом минимального значения hfe = 100. Чтобы транзистор наверняка оказался в насыщении, ток базы должен быть примерно в 10 — 20 раз меньше тока нагрузки. Падение напряжение на переходе коллектор — эмиттер значительно снизится, но теперь потери мощности будут происходить за счет тока базы и составят примерно от 10%. Зато потери напряжения минимальные.

Основной недостаток схемы в том, что ее применение очень сильно ограничено по максимальному обратному напряжению. Во время переполюсовки все напряжение источника питания прикладывается между эмиттером и базой транзистора. У большинства транзисторов предельно допустимое значение этого напряжения совсем небольшое. Например, для BC807 это всего 5 В.

В общем, это решение сгодится только для бюджетных схем с низким напряжением питания, минимальным потреблением тока или если потери мощности не так критичны.

❯ Заключение

Для защиты электрической схемы от подачи входного напряжения обратной полярности не существует универсального решения. Все зависит от каждого конкретного случая. В этой статье мы рассмотрели десяток схемотехнических решений с разной функциональностью. Остается подвести краткий итог.

Для защиты электрических схем от случайного подключения питания с обратной полярностью часто применяются диоды. При последовательном подключении диод снижает напряжение питания. При параллельном — требуется дополнительное ограничение тока с помощью предохранителя или резистора с низким сопротивлением, а сам диод должен иметь значительный запас по току и габаритам. Небольшое обратное напряжение, создаваемое на открытом диоде при переполюсовке может быть достаточным для повреждения компонентов с низким допустимым обратным напряжением.

В автомобильной электронике можно использовать специализированные SBR — диоды. В сравнении с диодами Шоттки, они обеспечивают меньшее падение напряжения и обратный ток утечки при повышенных температурах.

Для компенсации потери мощности на защитном диоде в силовых схемах можно применять реле. Но этот подход совершенно не приемлем для миниатюрных устройств.

Если напряжение питание не превышает 5 В и имеет небольшой рабочий ток, можно использовать защиту на маломощном биполярном транзисторе.

При напряжениях ниже киловольта можно использовать схемы защиты на основе полевых транзисторов. Использование P-MOSFET будет самым простым решением. Использование N-MOSFET позволит незначительно повысит эффективность схемы, но приведет к ее усложнению, либо защищаемую схему необходимо будет изолировать от потенциала общего провода.

Если схема питается от батареек или аккумуляторов с низким напряжением, но при этом потребляет значительный ток, в этом случае можно использовать защиту на основе полевых транзисторов с накачкой затвора на основе специализированных микросхем.

Отдельного внимания заслуживают схемы защиты от переполюсовки аккумуляторных батарей, но в рамках данной статьи они рассмотрены не были. При кажущейся простоте, тема достаточно емкая, я постараюсь написать об этом как-нибудь в другой раз.

Всем спасибо за внимание! Если я еще что-то забыл упомянуть по данной тематике, не стесняйтесь писать свое мнение в комментариях.

Написано специально для Timeweb Cloud и читателей Пикабу. Больше интересных статей и новостей в нашем блоге на Хабре и телеграм-канале.

Хочешь стать автором (или уже состоявшийся автор) и есть, чем интересным поделиться в рамках наших блогов — пиши сюда.

Облачные сервисы Timeweb Cloud — это реферальная ссылка, которая может помочь поддержать авторские проекты.

📚 Читайте также:

• Дешманский ремонт дешманского телевизора;

• Я тебя найду и позвоню;

• Комменты — наше все! История онлайн-комментариев.

Привет, Пикабу!

Наверное, многие из вас понимают, что одним из ключевых моментов при эксплуатации ванной комнаты является поддержание оптимального микроклимата, поскольку избыточная влажность создает идеальную среду для развития плесени и грибка на любых пористых поверхностях, будь-то штукатурка или межшовное пространство кафеля. Для нормализации уровня влажности, в первую очередь необходимо обеспечить нормальную вентиляцию, как правило, данная задача решается установкой вытяжного вентилятора. Вместе с тем, для обеспечения эффективности, немаловажно автоматизировать процесс работы вытяжной вентиляции. В данной статье я хочу поделиться своим опытом реализации «домашней» автоматизации для решения этого вопроса. Впереди DIY и много картинок, присоединяйтесь!

❯ Подопытный

В качестве подопытного был выбран вентилятор AURAMAX OPTIMA 5 от компании ERA Group.

Технические характеристики данного вентилятора:

Ниже на изображении показан внешний вид вентилятора:

Как можно видеть, корпус вентилятора имеет место с прорезями на лицевой стороне, которое идеально подходит для установки датчика температуры и влажности. Однако внутреннее пространство достаточно ограничено для размещения управляющей электроники, что нужно будет учесть при проектировании принципиальной схемы и печатных плат. Ну и в лучших традициях DIY — разработку управляющей электроники мы будем делать самостоятельно.

❯ Разработка электроники

Ядром нашей системы управления будет ESP8266 — бюджетный микроконтроллер от компании Espressif Systems с интерфейсом Wi-Fi, который позволяет выполнить интеграцию в системы умного дома или обеспечить автономное функционирование. И так как мы ограничены в пространстве для размещения электроники внутри корпуса вентилятора, то я решил применить в качестве источника питания бестрансформаторное решение на базе высоковольтного импульсного стабилизатора напряжения LNK306GN, а для коммутации силовой цепи вентилятора будем использовать симистор. Ниже представлена принципиальная схема нашей системы управления.

В данной схеме в качестве датчика температуры и влажности используется DHT22, а для звукового оповещения о включении или выключении вентилятора используется пьезоэлектрический бузер со встроенным генератором. Также на схеме вы можете заметить Zero Cross датчик, который реализован на оптроне U2. Данный датчик предполагалось использовать в реализации системы импульсно-фазового управления для регулировки скорости вращения вентилятора, но как показала практика, ESP8266 не «вывез» «хотелок» разработчика. Данную систему целесообразнее реализовывать на отдельном маломощном микроконтроллере типа Attiny 2313 и тому подобное. В настоящее время данный датчик задействован в функции аппаратного прерывания для включения/выключения вентилятора в момент перехода через нуль.

Если интересно, то вот осциллограмма работы zero cross датчика^

Как я писал ранее, источник питания реализован на ШИМ контроллере LNK306GN, где выходное напряжение в 3.3 В задается обратной связью, которая формируется с помощью резисторов R1 и R5. Увеличиваем номинал R5, соответственно, увеличивается выходное напряжение источника питания. Для силового управления вентилятором используется «классическая» схема на базе оптрона с симисторным выходом (U3) и силового симистора (Q1). Ниже представлены скриншоты разводки и рендера печатных плат.

Разводка:

Рендер 3D модели:

❯ Изготовление печатных плат

Настало время изготовления печатных плат. Прототипы, как правило, я изготавливаю в «домашних» условиях с помощью моего компактного лазерного станка, методом, о котором я писалранее.

Ниже на фото показан процесс активации фоторезиста с помощью 445нм лазера:

После засветки фоторезиста, необходимо выполнить проявку в растворе гидроксида натрия (10%) или карбоната натрия, кому как нравится.

Платы после процесса проявки:

Далее, после травления плат, выполняем монтаж радиокомпонентов в соответствии с принципиальной схемой и после этого производим тестовое включение и отладку. Для улучшения диэлектрических характеристик модуля питания, так как плата работает с высоким напряжением и во избежании пробоя, была нанесена паяльная маска. Чтобы предотвратить преждевременную аннигиляцию платы источника питания, рекомендую выполнять тесты с последовательно подключенной нагрузкой (в моём случае это лампа накаливания 60 Вт) в цепь питания 220 В. Также не стоит пренебрегать элементарными правилами электробезопасности при выполнении данных работ, так как модуль питания не имеет гальванической развязки с сетью.

❯ Установка печатных плат в корпус вентилятора

После выполнения всех тестов, производим монтаж печатных плат нашей системы управления в корпус вентилятора, не забыв разместить датчик над специальными прорезями. Ниже показан вариант размещения

Размещение печатных плат на корпусе вентилятора:

❯ Прошивка и интерфейс

Устройство работает на базе моей прошивки, которую уже можно назвать стандартом для моих умных устройств. Разработка велась в средеArduino IDE. Исходный код прошивки будет доступен в конце статьи.

Конфигурация устройства классическая — через web интерфейс. При первоначальном подключении, устройство создает точку доступаCYBEREX-SmartFANс беспарольным доступом. После подключения к точке доступа, у пользователя автоматически откроется страница авторизации, где необходимо будет ввести пароль по умолчанию "admin". После входа необходимо выполнить все необходимые настройки устройства. Интерфейс простой и интуитивно понятный. Ниже представлены скриншоты интерфейса.

Страница входа и основная:

Страницы конфигурации передачи данных и автоматического режима:

Конфигурация Wi-Fi подключения:

Как я писал ранее, устройство может работать как в составе системы «Умный дом», так и в автономном режиме. Для интеграции в системы умного дома используется протокол MQTT, где обмен данными выполняется в формате JSON. Ниже представлен пример вывода (топик «ваше имя корня»/jsondata):

{
"c": "Off",
"temp": "29.00",
"hum": "49.70",
"a": "1",
"h_on": "65.00",
"h_off": "52.00",
"fan_level": "0.00"
}

Для управления вентилятором используется топик «ваше имя корня»/control, где переданное значение:

0 - включает или отключает вентилятор в зависимости от текущего состояния;
возвращаемый статус: On или Off
1 - включает автоматический режим работы;
2 - выключает автоматический режим работы;
возвращаемый статус: 0 или 1

Ниже показан пример «карточки объектов» данного вентилятора в системе умного дома Home Assistant:

График относительной влажности в ванной комнате:

Хочется добавить, что в данном устройстве реализован механизм MQTT Auto Discovery, позволяющий в автоматическом режиме добавлять датчики и переключатели в Home Assistant. Ниже представлен пример кода карточки объектов, позволяющий реализовать отображение датчиков и элементов управления на панели Home Assistant:

type: entities
entities:
- entity: switch.f_onoff
name: Управление вентилятором
- entity: sensor.smart_fan_temp
name: Температура
- entity: sensor.smart_fan_hum
name: Влажность
- entity: switch.smart_fan_auto_switch
name: Автоматический режим
- entity: sensor.smart_fan_hum_on
name: Порог включения
- entity: sensor.smart_fan_hum_off
name: Порог выключения
title: Вентилятор в ванной

❯ Итоги & Выводы

Давайте подведем итоги. Как можно видеть, мы реализовали очень полезную и необходимую систему, которая позволяет с минимальным бюджетом автоматизировать вытяжные вентиляторы для достижения качественных показателей микроклимата в ванной комнате. Как я уже говорил ранее, данная система может работать как автономно, так и в составе умного дома, что позволяет упростить процесс автоматизации без применения IoT инфраструктуры. И если сравнивать финансовые затраты на реализацию моего DIY проекта, описанного в данной статье, с готовыми решениями, например с обычным вентилятором со встроенным датчиком влажности, то DIY явно побеждает не только с финансовой точки зрения, но и по функциональности. Ниже приведены примерные затраты на реализацию данного решения:

• Микроконтроллер ESP8266 — 1 шт: 94 руб или $ 1,07

• Контроллер питания LNK306GN-TL — 1 шт: 95 руб или $ 1,09

• Датчик температуры и влажности DHT22(AM2320) — 1 шт: 98 руб или $ 1,12

• Оптрон с симисторным выходом MOC3052 — 1 шт: 141 руб или $ 1,61

• Силовой симистор BT136-600(TO-252) — 1 шт: 9 руб или $ 0,10

• Вентилятор AURAMAX OPTIMA 5 — 1 шт: 890 руб или $ 10,17

• Другие компоненты и материалы: ~ 200 руб или $ 2,29

• ИТОГО : ~ 1327 руб или $ 15,17

Если сравнивать с готовым решением, то цена на обычный вентилятор с автоматическим управлением от встроенного датчика, где нет и намека на интеграцию с системами умного дома, начинается от 2939 руб или $ 33,59. Вывод об экономической эффективности нашего DIY проекта напрашивается сам собой.

Если Вам понравилась статья, поддержите её стрелочкой вверх. А если есть что добавить, то добро пожаловать в комментарии. Всем творчества, добра и спасибо за внимание.

Ссылки к статье:

• Лазерный DIY или как с помощью дешевого гравера делать качественные платы;

• GitHub проекта;

• Проект печатных плат (KiCAD);

• Исходный код микро ПО (Прошивка).

Написано специально для Timeweb Cloud и читателей Пикабу. Больше интересных статей и новостей в нашем блоге на Хабре и телеграм-канале.

Хочешь стать автором (или уже состоявшийся автор) и есть, чем интересным поделиться в рамках наших блогов — пиши сюда.

Облачные сервисы Timeweb Cloud — это реферальная ссылка, которая может помочь поддержать авторские проекты.