Arduino - 输出引脚扩流

本文转自：http://www.geek-workshop.com/thread-196-1-1.html
原文作者：Ansifa

使用Arduino时候，经常需要控制大电流或者高压负载。但是Arduino只有最大5v，20mA的引脚输出。必须要通过扩流电路。扩流的方法有很多。下面介绍几种方法，适合在不同场合下面使用。

注意：下述电路图的负载均用电阻符号代替，符号标志是电子学的负载符号RL，就是R（load）的意思。

1、小功率NPN三极管扩流（适用于扩展后负载电压5v以下，负载电流建议<1A）。

Arduino输出引脚直接连电阻驱动三极管基极。

复杂度：★★☆☆☆；成本：★☆☆☆☆；可扩流倍数：★☆☆☆☆；
优点：简单方便，成本低。开关频率上限直接由三极管决定，可以做的很高；
缺点：受控大电流和Arduino直接连通，所以外置驱动电源不建议超过5v，以免外置电源的电压通过Q1倒灌到Arduino引脚引起Arduino烧坏。
选材：三极管Q1可以选用小功率的NPN三极管。推荐型号有2SC1815，2N2222，8050，2SD882等(点元件名看对应数据手册，下同)；基极电阻R1必不可少，否则会导致Arduino因为引脚负载过大而发热甚至烧毁。R1阻值在100Ω~10k之间均可，推荐值1kΩ。所有电阻功率无要求，贴片0805以上，直插1/8w以上的就行，以下所有电路均使用这种电阻规格。

2、固态继电器（光耦）扩流（适用于220V交流直接控制，或者大功率直流控制，建议用于负载电流0.2A~40A间）

使用现成的固态继电器可以很方便的被Arduino控制。对于Arduino来说，驱动固态继电器就像驱动一个LED那么简单。

直流控制直流

直流控制交流

复杂度：★☆☆☆☆；成本：★★★★★；可扩流倍数：★★★★★；
优点：使用最简单，抗干扰能力最强，无电磁干扰。可以控制交流电/直流电，并且可以控制很大电流的负载。
缺点：成本很高
选材：注意的是，固态继电器有两种：直流控制交流固态继电器/直流控制直流固态继电器。它们的受控端有本质的区别，不能混用。直流控交流的交流是用可控硅进行开关的，而直流控直流用的是三极管或者场效应管进行开关。下面会对两种继电器仿制进行介绍的（见3）。

3、带光耦隔离NPN三极管扩流（适用于大范围负载电压，建议用于负载电流1A~5A间）

通过光耦加扩流做出一个控制/受控隔离的直流控制器。完全等效于直流固态继电器。

复杂度：★★★★☆；成本：★★☆☆☆；可扩流倍数：★★★★★；
优点：控制电流小，等效于驱动一只LED。受控大电流和Arduino控制板完全电气隔离，即使受控部分发生事故烧毁了，也不会影响到Arduino主板。
缺点：电路比直接扩流复杂，成本稍高。
选材：三极管可以选择2SD882，2SD669A，TIP122(5A达林顿管)等。光耦使用PC817等廉价光耦即可。

4、继电器扩流（适用于低速，对受控端开关电阻有要求的场合，建议用于负载电流0~3A间）

用一个小功率三极管扩流，然后控制一个5v的继电器。

复杂度：★★★★☆；成本：★★★☆☆；可扩流倍数：★★★★★；
优点：扩流电流大，并且由于继电器是机械闭合触点，闭合电阻基本为零，不像固态继电器或者三极管，有正向压降；适用于对闭合电阻要求高的场合，比如受控端是开关0~0.7v的信号。使用三极管或者固态继电器就不能工作了，只能使用继电器。
缺点：低速，每秒最快只能开关几次；机械开关使用寿命短，开关频率高的话，很快就会坏掉。成本高，电路也不简单；开关电流大，需要充足的电源供给继电器吸合。有较强的空间电磁干扰（EMI），会对高速数字电路（USB，串口，视频等）或者小信号模拟电路（音频信号线，仪器测量输入线）造成干扰。必须做好屏蔽措施；并且继电器断开时候会产生反向高压，必须处理反压。
选材：继电器必须选用5v控制的，因为Arduino只有5v。并且继电器吸合电流必须小于200mA，不能影响Arduino使其工作电压不稳。如果不能满足的话，可以尝试继电器级联，即小继电器拖动大继电器。

5、场效应管扩流（适用于大负载直流电流，建议用于负载电流5A~100A间）

用场效应管代替三极管扩流。由于场效应管属于电压控制型器件，输入电流极小。与三极管扩流相比，可以获得更快的开关速度和更小的输入电流，并且可以控制很大的直流电流（比如10~50A）。用Arduino驱动的话。驱动电路跟1、3几乎一样，只是换了场管。

复杂度：★★★★☆；成本：★★★★☆；可扩流倍数：★★★★★；

优点：控制电流小，等效于驱动一只LED。受控大电流和Arduino控制板完全电气隔离，即使受控部分发生事故烧毁了，也不会影响到Arduino主板。有最高的控制速度，并且电流也可以做的非常大。
缺点：电路比较复杂，场效应管成本比三极管更高。
选材：场效应管可以使用普通的N沟道增强型场效应管（N-Channel Enhancement Mode Field Effect Transistor）。笔者用过的型号有：CEP80N75（75V,80A,75W），IXGQ240N30P(IGBT管,240A,300V,500W)，IRF630(9A,200V,75W)等。

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