Esta lección es bastante significativa, si hace algo diferente a lo que está escrito aquí, puede obtener una placa quemada o con fallos, cuyas razones no son tan obvias y es muy difícil rastrearlas. Si esperaba ver consejos sobre el ahorro de energía y los modos de suspensión, se encuentran en una lección separada.
Pasemos a alimentar la placa: hay tres formas de alimentar Arduino y el proyecto Arduino en general, cada una tiene sus propias ventajas / desventajas y características:
- Puerto USB integrado.
- Entrada «sin procesar» al microcontrolador 5V.
- Entrada de Vin estabilizada.
En cuanto a la tierra (pines GND ), todos están conectados y simplemente duplicados en la placa, esto debe recordarse. Los pines de 3.3V, 5V y GND son la fuente de alimentación para los sensores y módulos, pero echemos un vistazo a los detalles.
Arduino alimentado por USB.
Alimentado por USB es la peor forma de alimentar un proyecto arduino. ¿Por qué? Hay un diodo a lo largo de la línea de alimentación de + 5V desde USB que realiza una función protectora: protege el puerto USB de la computadora del alto consumo de corriente por parte de los componentes del proyecto arduino o de un cortocircuito, que puede ocurrir por accidente o curvatura de cables de aquellos a los que les gusta elegir protoboards. Un cortocircuito con una duración de menos de un segundo no tendrá tiempo de dañar mucho el diodo y quizá se pueda recuperar, pero un cortocircuito largo convierte el diodo en un fusible, liberando una nube de humo azul pero salvando el puerto de la computadora del mismo destino. Por cierto, arduinki del fabricante Robotdyn tiene un fusible de restauración automática en lugar de una muleta con un diodo suicida.
Un diodo de baja corriente tiene otra característica desagradable: el voltaje cae a través de él, y cuanto mayor es el consumo de corriente del circuito, más cae el voltaje de suministro. Ejemplo: un arduino desnudo consume unos 20 mA, y de 5 Voltios por usb después del diodo, tenemos unos 4,7 Voltios. Por qué es malo: el voltaje de referencia cuando se usa el ADC es extremadamente inestable, no sabe lo que está midiendo (sí, hay una forma de medir el voltaje de referencia, pero debe hacerlo manualmente). Algunas partes son sensibles al voltaje de suministro, por ejemplo, las pantallas LCD: cuando se alimentan con 5V son brillantes y claras, a 4.7 voltios (alimentadas por USB) ya pierden notablemente brillo. Si mueve el servo o enciende el relé, el diodo caerá aún más y la pantalla prácticamente se apagará. Con cargas cortas y potentes (por encima de 500-600mA), el voltaje caerá y el microcontrolador se reiniciará.
Puede pensar en reemplazar el diodo con un puente para alimentar el circuito desde USB con una corriente alta, por ejemplo, desde un banco de energía. Tampoco puede hacer esto, porque las pistas de la placa no están diseñadas para corrientes altas (la pista de 5 V es muy delgada y atraviesa toda la placa). Creo que será posible consumir 1-2 amperios del pin de 5 V, pero lo más probable es que el voltaje disminuya. Además, con un cortocircuito, lo más probable es que se despida de la pista por completo. Alimente la sección de potencia del circuito por separado o encienda el Arduino desde la misma fuente.
Alimentación en Vin.
La fuente de alimentación para el pin Vin (y GND ) es una forma más universal de alimentar un proyecto arduino, este pin suministra energía al regulador de voltaje arduino integrado, en las placas chinas generalmente esta el AMS1117-5.0. Este es un regulador lineal, que tiene sus pros y sus contras. Le permite alimentar un arduino y un proyecto arduino desde un voltaje de 7-12 voltios (este es el rango recomendado, por lo que puede alimentarlo de 5 a 20 voltios). El estabilizador está diseñado de tal manera que emite un buen voltaje uniforme con una mínima ondulación, pero convierte todo el exceso de voltaje en calor. Si alimenta la placa y un servoaccionamiento en miniatura de 12 voltios, cuando el accionamiento esté activo, el estabilizador se calentará hasta 70 grados, que ya está notablemente caliente. Según algunos cálculos de la hoja de datos, podemos recordar algunos números:
- A un voltaje de 7 voltios (no he visto tales fuentes de alimentación), Vin se puede alimentar del pin de 5V hasta 2A, pero habrá sobrecalentamiento. Dos baterías de litio funcionarán muy bien.
- A 12 voltios en Vin, no se pueden absorber más de 500mA del pin de 5V sin riesgo de sobrecalentamiento del estabilizador.
La fuente de alimentación al pin Vin solo es posible si el proyecto Arduino (es decir, la placa Arduino y el hardware conectados a 5V y GND ) no utiliza consumidores de corriente potentes, como servos, tiras de LED direccionables, motores, etc. Puede alimentar sensores, sensores, pantallas, módulos de relés (no más de 3 simultáneamente en estado activo), LED individuales, controles. Para proyectos con una potente carga de 5 voltios, solo existe una tercera vía para nosotros.
Fuente de alimentación a 5V.
Alimentar el pin de 5V (y GND ) es la mejor opción para alimentar la placa y el proyecto arduino en su conjunto, pero debe tener cuidado: el pin va directamente al microcontrolador y se le aplican algunas restricciones:
- La tensión de alimentación máxima según la hoja de datos del microcontrolador es de 5,5 V.
- El voltaje mínimo depende de la frecuencia a la que opera el microcontrolador. Aquí hay una línea de la hoja de datos: 0 – 4 MHz @ 1.8 – 5.5V, 0 – 10 MHz @ 2.7 – 5.5V, 0 – 20 MHz @ 4.5 – 5.5V. Lo que significa: la mayoría de las placas Arduino tienen una fuente de reloj a 16 MHz, es decir, Arduino funcionará de manera estable desde ~ 4 Voltios (20 MHz – 4.5V, 16 MHz – aproximadamente 4V). Hay versiones de 8 MHz del Arduino, funcionarán bastante bien a 2.5V.
Importante: la tensión de alimentación en el pin de 5 V no debe superar los 5,5 V. Voltaje mínimo: 4 V para placas de 16 MHz (en mi práctica funcionó de manera estable desde 3,5 V), 2,5 V para placas de 8 MHz.
La opción más popular es un cargador USB de un teléfono inteligente, son fáciles de obtener, el rango actual de 500 mA a 3 A, se adaptará a casi cualquier proyecto. Cortamos el enchufe y soldamos los cables a 5V y GND, habiendo determinado previamente dónde está el más / menos usando un multímetro o por color: el rojo es siempre positivos, el negro es tierra, con un rojo +, la tierra puede ser blanca. Con fondo negro, el + puede ser blanco, así. Soldamos allí todos los sensores / módulos / consumidores de 5 voltios de la misma forma. Sí, no es muy conveniente soldarlo, pero con un esquema conocido, puede recolectar cuidadosamente toda la potencia en hilos separados y soldarlos ya. Un ejemplo en la foto de abajo. La fuente de alimentación es una toma micro-usb separada, la placa verde justo encima de la pantalla.
Selección automática de la fuente de alimentación en Arduino.
En las placas Arduino (incluidos los clones chinos), se implementa el cambio automático de la fuente de alimentación activa: cuando se conecta una alimentación externa al pin Vin, la línea de alimentación USB se bloquea. Si alguien está interesado, en el diagrama de la placa Arduino se ve así:
Alimentación de circuitos «potentes».
Resumiendo y repitiendo todo lo anterior, consideraremos opciones de energía para proyectos con alto consumo de corriente.
Puede alimentar un proyecto de consumo (LED, motores, calentadores) de 5V como este: Arduino y el consumidor se alimentan juntos de una fuente de alimentación de 5V:
No puede alimentar a un consumidor desde USB a través de una placa, hay un diodo allí y las pistas de energía son delgadas:
¿Qué sucede si aún desea alimentar el proyecto desde USB, por ejemplo, desde un banco de energía? ¡Es conveniente! Todo es muy sencillo:
Si solo hay una fuente de alimentación de 12V, entonces tengo malas noticias: el estabilizador incorporado en la placa no tirará más de 500 mA:
Pero si queremos alimentar directamente la carga a 12V, entonces no hay problemas: la propia placa Arduino consume alrededor de 20 mA y funcionará silenciosamente desde el estabilizador integrado:
Fuente de alimentación autónoma.
Sucede que necesita proporcionar energía autónoma para el proyecto, es decir, lejos de la salida, exploremos las opciones. También para estos propósitos, es útil una lección sobre el ahorro de energía y los modos de suspensión del microcontrolador.
Alimentación al puerto USB
- El Powerbank más común, la corriente máxima es de 500 mA (recuerde el diodo protector). El voltaje en el pin de 5V y el nivel alto de GPIO en este caso será ~ 4.7V (nuevamente, recuerde sobre el diodo). ¡Atención! Para la mayoría de los Powerbanks, la energía se corta cuando la carga es inferior a 200 mA, es decir, puede olvidarse del ahorro de energía;
- ¡La corriente de salida máxima del pin de 5 V es de 500 mA!
Fuente de alimentación al pin Vin (o enchufe 5.5 × 2.1 en placa UNO / MEGA)
- Cualquier fuente de alimentación / cargador de una computadora portátil con un voltaje de 7-18 voltios
- Batería de 9V, barata, opción mala, pero que funciona. La capacidad suele ser muy pequeña;
- Montaje de tres baterías de litio: voltaje 12,6-9V durante la descarga. Una buena opción, también hay 12V con un buen margen de corriente (3A para baterías convencionales, 20A para baterías de alta corriente) para motores o tiras de LED;
- Baterías de «calidad», principalmente Li-Po. En general, igual que el punto anterior, pero la reserva actual es muchas veces mayor;
- El ahorro energético no es una opción muy rentable, porque el estabilizador consume un poco, pero aún corriente;
- Corriente de salida máxima desde el pin de 5V cuando se alimenta a Vin: 2A @ 7V @ Vin, 500ma @ 12V @ Vin
Fuente de alimentación al pin 5V
- Para una salida estable de 5V: una batería de litio y un módulo que aumenta a 5V. Dichos módulos suelen tener un margen de corriente de 2A, y el módulo también consume «en modo inactivo» – escaso ahorro de energía;
- Batería de litio: el voltaje en el pin de 5 V y GPIO será de 4,2 a 3,5 V, algunos módulos funcionarán, otros no. El funcionamiento del Mc desde un voltaje por debajo de 4V no está garantizado, funcionó para mí en su conjunto de manera estable hasta 3.5V, por debajo puede colgar. El ahorro de energía es excelente;
- Las pilas tipo dedo (AAA o AA) son una buena opción, 3 piezas darán 4.5-3V, lo que roza el riesgo de congelación. 4 piezas – muy bueno. Las baterías nuevas darán 6V, que es el voltaje máximo para el AVR MK y, si lo desea, puede trabajar de esta manera;
- Las baterías Ni-Mh son una gran opción, puede colocar de forma segura 4 piezas, proporcionarán el voltaje requerido durante todo el ciclo de descarga (hasta 4V). También tienen un buen margen de corriente, incluso puedes alimentar la cinta Led direccionable.
- Las placas con un cuarzo (generador de reloj) a 8 MHz le permiten alimentar el circuito desde un voltaje bajo (2.5V, como discutimos anteriormente), las mismas baterías / baterías recargables son perfectas, también para proyectos de baja potencia desde los que puede alimentar una tableta de litio (3.2-2.5V en la descarga del proceso).
- La corriente de salida máxima del pin de 5 V está limitada por la corriente de la fuente de alimentación.
Arduino como fuente de alimentación.
Un punto importante que se desprende de los anteriores: utilizar la placa Arduino como fuente de alimentación para módulos / sensores. Hay dos opciones:
- Alimentación de sensores y módulos desde 5V.
- Cuando la placa se alimenta desde USB – corriente máxima 500 mA.
- Cuando la placa se alimenta en Vin, la corriente máxima es de 2 A en Vin 7V, 500 mA en Vin 12V.
- Cuando la placa se alimenta a 5 V, la corriente máxima depende de la fuente de alimentación.
- Fuente de alimentación de sensores desde GPIO (pines D y A) – corriente máxima de un pin: 40 mA, pero se recomienda no más de 20 mA. La corriente total máxima de los pines (corriente máxima a través del MicroControlador) no debe exceder los 200 mA. Se permite combinar varias patas para alimentar la carga, pero el estado de las salidas debe cambiarse al mismo tiempo (preferiblemente a través de PORTn), de lo contrario existe el riesgo de quemar una patita si se cortocircuita con la otra durante la conmutación. O haga de la pata una entrada (Input), en lugar de alimentarla con una señal baja (Low). En este caso, no hay peligro de quemar los pines.
Protección contra Interferencias.
Si los consumidores potentes, como servovariadores, tiras de LED direccionables, módulos de relé, etc, están en el mismo circuito de alimentación con el Arduino, se puede producir ruido en la línea de alimentación, lo que genera un fuerte ruido de medición con el ADC y una interferencia potente. puede provocar interrupciones e incluso cambiar los pines de estado, interrumpir la comunicación en varias interfaces de comunicación e introducir errores en las lecturas de los sensores, mostrar tonterías en las pantallas y, a veces, puede llegar a reiniciar el controlador o congelarlo. Algunos módulos también pueden congelarse, reiniciarse y fallar si la fuente de alimentación es deficiente, por ejemplo, el módulo bluetooth puede congelarse y colgarse fácilmente hasta que el sistema se reinicie por completo, y los módulos de radio rf24 no funcionarán en absoluto con una fuente de alimentación «ruidosa».
Además, la interferencia puede provenir de donde no esperaban: a través del aire, por ejemplo, de un motor eléctrico, la emisión inductiva es captada por los cables y hace cualquier cosa con el sistema. ¿Qué hacer? Los «grandes diseñadores» de los dispositivos industriales reales hacen mucho para protegerse contra las interferencias, libros completos y disertaciones están dedicados a esto. Consideraremos lo más simple que se puede hacer en casa.
- Alimente la parte lógica (Arduino, sensores y módulos de baja corriente) de una separada fuente de alimentación de 5V de bajo ruido, es decir, separar la fuente de alimentación de las partes lógicas y de potencia, y aún mejor a la alimentación a la pista de Vin de la 7 -Fuente de alimentación de 12V, ya que el estabilizador lineal da una muy buena tensión uniforme. Para el correcto funcionamiento de los dispositivos que se alimentan por separado (controladores de motor, etc…), debe conectar las conexiones a tierra de Arduino y de todos los dispositivos externos;
- Coloque condensadores para la fuente de alimentación de la placa, lo más cerca posible de los pines de 5V y GND: electrolito mínimo 6.3V 100-470 uF (μF, la capacidad depende de la calidad de la fuente de alimentación: con fuertes caídas de voltaje, configure la capacitancia más alta, con una pequeña interferencia, 10-47 μF será suficiente ) y cerámico de 0.1-1 uF. Esto suavizará la interferencia incluso de los servos.
- Para los elementos del sistema «remoto» en los cables (botones, giros, sensores), retuerza los cables en una coleta, principalmente con la masa GND. Mejor aún, use cables blindados, el blindaje será naturalmente con GND. Por lo tanto, estamos protegidos de las interferencias electromagnéticas.
- Conecte todas las tierras con un cable grueso y, si es posible, conecte la tierra a una tierra central;
- Conecte el cuerpo metálico a tierra del dispositivo (o simplemente envuelto en papel de aluminio 🙂), en el que están conectados a tierra todos los componentes del circuito, es una garantía de ausencia total de interferencia y captación a través del aire.
Aún mejor, un filtro LC que consta de un inductor y un condensador, puede manejar el filtrado de ruido. La inductancia debe tomarse con una clasificación en la región de 100-300 μH y con una corriente de saturación mayor que la corriente de carga después del filtro. El condensador es un electrolito con una capacidad de 100-1000 uF, dependiendo nuevamente del consumo de corriente de la carga después del filtro. Está conectado así, cuanto más cerca de la carga, mejor:
Emisiones inductivas.
En la práctica, la interferencia más vil generalmente se produce cuando se conmuta una carga inductiva utilizando un relé electromagnético: es muy difícil protegerse de tal interferencia, porque viene a lo largo del suelo, es decir, incluso la fuente de alimentación separada del proyecto no lo hará. ¿Qué hacer para solucionarlo?
- Para los circuitos de CC (corriente continua), es imperativo colocar un diodo potente en paralelo inverso a la carga, lo más cerca posible de los terminales del relé. El diodo recibirá (cerrará) la sobretensión inductiva del motor / bobina;
Allí, en los terminales del relé, puede colocar un circuito RC, llamado en este caso supresor de chispas: una resistencia de 39 ohmios de 0,5 W, en serie con un condensador de 0,1 μF 400 V (para un circuito de 220 V);
Para la corriente alterna, CA, utilice un relé de estado sólido (SSR) con un detector de cruce por cero, también se denominan relés «silenciosos». Si en el circuito de CA en lugar de un relé hay un triac con un optoacoplador, entonces el optoacoplador debe usarse nuevamente con un detector de paso por cero, tal optoacoplador, como SSR de cruce por cero, desconectará la carga en el momento en que el voltaje en la red pasa por cero, esto minimiza las emisiones.
Apunte final.
Los novatos en electrónica, que no conocen la ley de Ohm, a menudo tienen preguntas del tipo: » ¿Qué corriente se puede usar para alimentar el Arduino? «, » ¿Qué corriente se puede suministrar al Arduino? «, » ¿Mi Arduino no se quemará? con una fuente de alimentación de 12V 10A ”,“ cuántos amperios se pueden alimentar al Arduino ”y otras tonterías. Recuerde: no puede suministrar amperios, solo puede suministrar voltios y el dispositivo tomará tantos amperios como necesite. En el caso de Arduino, la placa desnuda tomará 20-22 mA, incluso del pin de 5V, Vin. La corriente indicada en la fuente de alimentación es la corriente máxima que la fuente de alimentación puede entregar sin daños / sobrecalentamiento / caída de voltaje… No debes preocuparte por el Arduino, sino por el resto del hardware que está en el circuito y es alimentado por la fuente de alimentación, así como por la propia fuente de alimentación, que puede que no te quite la carga (motor, LED, calentador ). El consumo de corriente total de los componentes no debe exceder la capacidad de la fuente de alimentación, ese es el punto. Y si la fuente de alimentación es de al menos 2-5 amperios, los componentes tomarán exactamente la cantidad que necesitan y tendrá un «margen de corriente» para conectar otros.