¿Cómo pueden ser controlados los dispositivos de mayor corriente (motores, solenoides, luces, etc.) por un Arduino?

Estoy buscando una solución ampliamente aplicable, una que se pueda adaptar a una variedad de proyectos.

Actualmente estoy trabajando en varios proyectos que requieren dispositivos de control que van desde 800mA a 2A desde un Arduino Uno. Uno controla motores paso a paso, uno controla actuadores solenoides de 12vdc y otro controla válvulas neumáticas de 12vdc.

Por ejemplo:

El Arduino monitorea un botón, y cada vez que se presiona el botón, se activa el actuador solenoide. Debido a que el Arduino no puede obtener la corriente requerida por el solenoide, se requiere una fuente de alimentación separada con el Arduino controlando un interruptor (relé, transistor, etc.) que permite que pase la corriente más alta. Para el motor paso a paso, el diseño es más complejo, ya que necesitaría cuatro pines que controlen cuatro interruptores separados (para mantener la interoperabilidad del circuito). El relé controla una válvula de aire y también requiere 12vdc.

Estoy tratando de descubrir cómo usar un solo circuito que se pueda usar en cada una de estas aplicaciones (y en cualquier proyecto futuro) que implique el control de dispositivos de corriente más altos que los pines Arduino.

La velocidad de creación de prototipos, los componentes estandarizados y el bajo costo son los factores determinantes. La velocidad de conmutación, la vida útil y el ruido también son importantes.

¿Hay una placa de conexión, circuito o componente que se pueda conectar a un pin Arduino y usar para controlar un dispositivo de alta corriente? Idealmente con un potenciómetro controlado por software para que la resistencia para diferentes proyectos pueda establecerse en el bosquejo mismo.

Para manejar corrientes tan altas, puede que tenga que conectar en cascada varios transistores (también puede usar un transistor Darlington ). Hay conjuntos de Darlington montados en un chip (por ejemplo, el ULN2803A tiene 8 transistores Darlington, pero está limitado a 500 mA).

Probablemente tendrá que lidiar con transistores de mayor potencia; Como ejemplo, he encontrado STMicroelectronics TIP110 que puede admitir la conmutación de una corriente de 2A (pico de 4A), pero probablemente necesitaría un disipador térmico para disipar el calor.

Tenga en cuenta que me pregunto si sus steppers realmente necesitan una corriente de 2A (¿son tan grandes?). Para los steppers, generalmente puede encontrar circuitos integrados que pueden manejarlos fácilmente, por ejemplo, el L293D, pero este puede manejar "solo" 600 mA).

Como conclusión, me temo que no encontrará una solución de "talla única", ya que todos sus dispositivos son diferentes y deben ser controlados por el circuito apropiado.

Editar:

Dado que el sobredimensionamiento no es un problema en su caso de creación de prototipos, entonces podría optar por un MOSFET en lugar de los transistores bipolares habituales. Un MOSFET podrá conducir corrientes y voltajes más altos que los transistores estándar.

La desventaja es que puede usarlo solo como un interruptor (como, por ejemplo, un relé) y, por lo tanto, no puede controlar la potencia exacta de sus dispositivos. Supongo que eso no importa para un motor paso a paso o un solenoide, pero eso puede ser importante para las luces de conducción, por ejemplo.

Sin embargo, lo bueno es que aún puede usar PWM para eso, ya que la velocidad de conmutación MOSFET es lo suficientemente buena para tales fines.

Con respecto al precio, hay muchos tipos diferentes de MOSFET, pero creo que puede encontrar uno que se ajuste a sus necesidades (12V, 2A) por menos de $ 1.

Te aconsejo que leas este gran artículo sobre este tema.

Hay muchas maneras de cambiar cargas más altas, y jfpoilpret ha descrito algunas buenas opciones. Resumiré un par de soluciones basadas en relés, que son principalmente apropiadas para velocidades de conmutación relativamente lentas (es decir, generalmente no son adecuadas para PWM).

Relés de estado sólido Los relés de
estado sólido (SSR) son efectivamente conmutadores basados ​​en semiconductores. Vienen en una amplia variedad de configuraciones, dependiendo de sus requisitos, pero el factor clave es que no tienen partes móviles. Esto significa que pueden ser muy confiables a largo plazo si se usan correctamente.

Internamente, generalmente se componen de MOSFET y tiristores o similares. Esto puede permitirles alcanzar velocidades de conmutación bastante altas en teoría. Sin embargo, en la práctica, mientras más potencia esté diseñada, más difícil será cambiar rápidamente. Eso significa que la alta velocidad + alta potencia puede ser bastante costosa.

Un factor crítico a tener en cuenta es que generalmente necesitará un tipo diferente de SSR si desea cambiar de CA en lugar de CC. También es bueno tener en cuenta que algunos vendrán con un optoaislador incorporado o similar para mantener sus fuentes de alimentación separadas.

Relés electromecánicos
Este es el enfoque más "tradicional". Un relé electromecánico (EMR) es un componente bastante simple, que contiene un interruptor mecánico, controlado por una bobina electromagnética. Si el interruptor está normalmente abierto, la bobina lo cierra cuando se aplica una corriente de control. En contraste, un interruptor normalmente cerrado se abriría cuando se aplica una corriente de control.

Hay una serie de ventajas de los EMR sobre cosas como los SSR. Lo más obvio es el costo: su simplicidad los hace bastante baratos y el costo no aumenta tanto para las versiones de mayor potencia. Además, el control y la carga están inherentemente aislados, y no les importa si está cambiando AC o DC.

Sin embargo, hay varias desventajas. El aspecto mecánico significa que los EMR suelen ser mucho más lentos que las soluciones de conmutación no mecánicas y pueden sufrir rebotes de contacto. Además, pueden desgastarse físicamente, y pueden verse afectados por cosas como golpes, vibraciones y (potencialmente) otros campos magnéticos.

Al diseñar un circuito para usar un EMR, es esencial tener en cuenta la EMF (fuerza electromotriz) posterior. Cuando se aplica una corriente de control, la bobina actúa como un inductor, almacenando la carga electromagnéticamente. Cuando se detiene la corriente de control, la carga almacenada puede volver a subir a través del circuito de control, creando un pico de voltaje negativo grande (potencialmente mucho más grande que lo que se aplicó originalmente).

Este pico desafortunadamente puede dañar / destruir cualquier componente conectado o clavija del microcontrolador. Normalmente se previene / mitiga poniendo un diodo en reversa a través de los contactos de control del relé. En este contexto, a veces se lo conoce como diodo de retorno y permite que el EMF se disipe de forma segura.

Como ya dijo jfpoilpret, un MOSFET de potencia es ideal para ENCENDER y APAGAR la alimentación de 12 VCC a dispositivos que alcanzan hasta 44 A. Hay docenas de MOSFET de potencia por menos de $ 1 cada uno. Hay MOSFET más caros disponibles que pueden manejar corriente y voltaje mucho más altos.

En principio, es posible conducir un motor paso a paso con un microcontrolador y un puñado de transistores y algunas otras piezas pequeñas. Sin embargo, muchas personas prefieren usar un "chip controlador paso a paso", por lo que es imposible que un error de software encienda accidentalmente los transistores de tal manera que acorte la fuente de alimentación a tierra (normalmente destruyendo al menos 2 transistores). Muchos chips controladores de pasos recientes también manejan micropasos, limitación de corriente, protección contra sobrecarga térmica y otras características interesantes.

Todos los chips de controladores paso a paso que he oído hablar, y algunos tableros de arranque que usan esos chips, se enumeran en http://reprap.org/wiki/stepper_motor_driver .

En particular, muchas de las impresoras 3D RepRap que he visto conectan un Arduino a cuatro controladores paso a paso Pololu (menos de $ 15 cada uno) para conducir cinco motores paso a paso.

Hice un circuito Arduino (Arduino Nano) para alimentar un Peltier de 12V (que también es una fuente de alta potencia) usando un transistor MTP3055V MOSFET 60V 12A. Y el circuito funciona muy bien.