4.02.4. Лабораторная работа №4.2.4.md

Управляем мощностью

Тема работы

До сих пор мы управляли только маломощными светодиодами. Но что, если нам нужно управлять чем-то более серьёзным, например, мотором вентилятора? Пины микроконтроллера не могут выдать достаточный ток для такой задачи. В этой лабораторной работе мы решим эту проблему с помощью транзисторов, которые мы изучали в главе 2. Мы соберём две схемы — одну с биполярным NPN-транзистором (BC337), другую с N-канальным MOSFET (IRF530N) — и научимся плавно регулировать скорость вращения вентилятора.

Цель

Научиться управлять мощной нагрузкой (вентилятором) с помощью микроконтроллера и транзистора.
На практике сравнить работу биполярного и полевого (MOSFET) транзисторов.
Изучить, как характеристики транзистора влияют на работу схемы, и научиться решать проблему неполного открытия MOSFET.
Применить ШИМ (PWM) для плавной регулировки скорости вращения мотора.

Оборудование и материалы

Отладочная плата Рудирон.
Макетная плата и модуль питания.
Аккумуляторная батарея 9В.
Вентилятор (DC мотор, 5В).
1 биполярный NPN-транзистор.
1 N-канальный MOSFET.
1 резистор номиналом 1 кОм.
1 резистор номиналом 10 кОм.
Соединительные провода.
USB-кабель для подключения Рудирона.
Компьютер с Arduino IDE.

Ход работы

Подготовка питания

Вентилятор потребляет значительный ток, поэтому питать его напрямую от USB-порта нельзя. Мы будем использовать внешнее питание.
- Установите модуль питания на макетную плату, подключите к нему батарею 9В и установите перемычки на 5В.
- Рудирон подключите к компьютеру через USB.
  
  Важно! «Земли» (GND) Рудирона и модуля питания на макетной плате должны быть соединены вместе одним проводом. Это нужно, чтобы у обеих частей схемы был общий нулевой уровень напряжения.

Схема №1. Управление с помощью NPN-транзистора BC337

Сначала соберём схему с биполярным транзистором. Он работает как ключ, управляемый током: небольшой ток с пина микроконтроллера на «базу» транзистора открывает путь для большого тока через вентилятор.

Характеристика BC337	Значение
Макс. ток коллектора	800 мА
Макс. напряжение	45 В
Коэффициент усиления (hFE)	100 - 630

Подключите вентилятор. Красный провод (+) к шине 5V на макетной плате, чёрный (−) к выводу Коллектор (C) BC337.
Подключите транзистор. Эмиттер (E) к GND, а Базу (B) через резистор 1 кОм к пину 5 Рудирона. Резистор здесь ограничивает ток базы.

Схема №2. Управление с помощью MOSFET IRF530N

Теперь заменим биполярный транзистор на полевой. MOSFET управляется напряжением на затворе.

Характеристика IRF530N	Значение
Макс. ток стока	17 А
Макс. напряжение	100 В
Напряжение открытия (Vgs(th))	2 - 4 В

Обратите внимание на последнюю строчку. IRF530N — не «логический» (logic-level) транзистор. Ему нужно 2-4 В только чтобы начать открываться, а для полного открытия и минимального сопротивления требуется около 10 В. Пин Рудирона выдаёт всего 3.3 В. Этого может быть недостаточно!

Подключите MOSFET. Чёрный провод (−) вентилятора к выводу Сток (Drain). Исток (Source) к GND. Затвор (Gate) к пину 5 Рудирона.
Хитрость. Подтяжка затвора к 5В. Чтобы «помочь» MOSFET открыться сильнее, мы «подтянем» затвор к более высокому напряжению с макетной платы. Добавьте в схему резистор 10 кОм между пином 5 и шиной 5V на макетной плате.

Написание и загрузка кода

Код для обеих схем будет одинаковым, чтобы мы могли честно сравнить их работу.
- Установите перемычку PRG | RUN в положение PRG.
- В Arduino IDE введите следующий код:
```
void setup() {
  // pinMode для ШИМ-пина не обязателен
}

void loop() {
  // Плавно увеличиваем ШИМ от 0 до 255
  for (int speed = 0; speed <= 255; speed++) {
  analogWrite(5, speed); // Подаём ШИМ на пин 5
  delay(20);
  }
  delay(1000); // Пауза на максимальной скорости

  // Плавно уменьшаем ШИМ от 255 до 0
  for (int speed = 255; speed >= 0; speed--) {
  analogWrite(5, speed);
  delay(20);
  }
  delay(1000); // Пауза на нулевой скорости
}
```
- Сначала соберите Схему №1 и загрузите код. Оцените максимальную скорость вентилятора.
- Затем разберите схему и соберите Схему №2 с подтягивающим резистором. Снова загрузите код и сравните результат.

Результаты

Вы должны увидеть, что вентилятор плавно меняет скорость вращения в обеих схемах. Однако, скорее всего, вы заметите, что со схемой №1 вентилятор вращается значительно быстрее и мощнее.

Анализ результатов

Схема с NPN BC337: Работает, но биполярный транзистор для своего управления потребляет часть тока с пина Рудирона. Кроме того, на нём есть небольшое, но постоянное падение напряжения. Эта энергия теряется, превращаясь в тепло, и не доходит до вентилятора.
Схема с MOSFET IRF530N: MOSFET управляется напряжением и почти не потребляет ток. Благодаря подтягивающему резистору, когда пин 5 находится в состоянии HIGH (выход Рудирона имеет высокое сопротивление), напряжение на затворе поднимается почти до 5В. Этого достаточно, чтобы MOSFET открылся гораздо сильнее, чем от 3.3В. Его сопротивление становится очень низким, и почти вся мощность от источника питания идёт на вентилятор.

Выводы

В этой лабораторной работе вы:

Научились управлять мощными устройствами, такими как мотор, с помощью транзисторов.
Использовали ШИМ для плавной регулировки скорости.
На практике сравнили два типа транзисторов и убедились в большей эффективности MOSFET для управления мощностью.
Освоили практический приём («лайфхак») для управления стандартными (не логическими) MOSFET от низковольтного микроконтроллера.

Вопросы для самопроверки

Почему нельзя подключать вентилятор напрямую к пину микроконтроллера?
Какой параметр NPN-транзистора управляет его открытием? А у MOSFET?
Что такое напряжение открытия Vgs(th) у MOSFET и почему оно важно?
Зачем в схеме с IRF530N мы добавили подтягивающий резистор к 5В?
Как изменить код, чтобы вентилятор работал только на половине своей максимальной мощности?

Вы освоили управление мощными нагрузками — это ключ к робототехнике и автоматизации! В следующей лабораторной работе мы познакомимся с ещё одним важным элементом механики — сервоприводом.

imgs