"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
Микроконтроллеры – это, в первую очередь, приборы для управления, контроля и обработки данных, но никак не для работы в силовых цепях. Хоть и современные чипы довольно развиты в плане наличия разных защит от случайных повреждений по электрической части, но всё же опасности подстерегают начинающего радиолюбителя на каждом шагу.
Как безопасно работать с ардуиной? Это главный вопрос статьи. Рассмотрим как электрические опасности для микроконтроллера, так и для всей платы и её компонентов в целом, а также вредные факторы механического происхождения.
О внутреннем устройстве микроконтроллеров можно написать книгу, поэтому рассмотрим только основные моменты, на которые нужно обращать внимание при работе. Микроконтроллеры чувствительны, как к токам, так и к напряжениям. Аварийные режимы работы допустимы лишь кратковременно, либо недопустимы вообще.
Я постараюсь рассматривать ситуации с реальными условиями и чипами. Давайте опираться на datasheet Atmega328. Это распространенный микроконтроллер, встречается почти во всех платах arduino, в ранних версиях использовали 168, его основное отличие заключалось вдвое меньшем объеме памяти.
1. Напряжение питания должно быть в норме!
Известные мне модели микроконтроллеров работают от постоянного напряжения (DC), При этом напряжение питания может варьироваться в пределах допустимого.
В технической документации на 328 атмегу указан диапазон питающих напряжений от 1.8 до 5.5 Вольт. При этом от напряжения зависит скорость работы, но это тонкости, которые влияют на выбор рабочей частоты и логических уровней.
В цепях питания интегральных микросхем обычно установлен стабилитрон, для защиты входа кратковременных скачков, но стабилитроны не рассчитаны на гашение всплесков высокой мощности и длительной работы в неправильных условиях.
Вывод:
Не превышайте напряжение питания микроконтроллера, если собираетесь запускать его от батарей или источника, в качестве стабилизации которого вы не уверены – лучше установите дополнительный линейный или LDO-стабилизатор.
Для «смерти» микроконтроллера порой достаточно и половины вольта. Дополнительный фильтрующий конденсатор электролитического типа до сотни мкФ, в паре с керамическим в пару сотен нФ только улучшат надежность работы схемы.
Ардуино:
На оригинальных, а также на большинстве клонов Nano, Uno установлены линейные стабилизаторы, поэтому можно подавать питание либо на предназначенные для этого пины, либо через USB-порт. Не более 15 В.
ВАЖНО:
Пин с названием «5V» предназначен только для подключения к стабилизированному источнику на пять вольт, не больше, этот пин напрямую подключается к ножке Vсс самого микроконтроллера, тогда как Vin – на плате идет через линейный стабилизатор к микроконтроллеру.
И полярность тоже
На плате не предусмотрено защиты от обратного напряжения, поэтому в случае ошибки вы рискуете её спалить. Чтобы этого избежать установите диод последовательно со входом по питанию катодом к плате (пин Vin).
2. Не замыкай пины
Производитель установил рекомендуемый ток через пин микроконтроллера, не более 30 мА. При напряжении питания в 5 Вольт, это значит, что нужно подключать незнакомую (новую) нагрузку, через резистор не менее 200 Ом, что установит максимальный ток в 25 мА. Я думаю, это не совсем понятно звучит. «Замкнуть» и «Перегрузить» слова разные, но описывают один и тот, же процесс.
Короткое замыкание – это состояние когда между выводом с высоким потенциалом и выводом с низким потенциалом установлена нагрузка, сопротивление которой близко к 0. Реальным эквивалентом такой нагрузки служит капля припоя, кусок провода и другие проводящие ток материалы, соединяющие плюсовой контакт с минусовым.
Когда пин установлен в логическую единицу или «high», напряжение относительно общего провода на нём 5 В (3.3 или любое другое, уровень которого принят за логическую единицу). Если его замкнуть на «землю», на плате ардуино она может обозначаться, как «gnd», протекающий ток будет стремиться к бесконечности.
Внутри микроконтроллера за выходные уровни 0 или 1 отвечают внутренние транзисторы и нагрузочные резисторы, они от большого тока просто сгорят. Скорее всего, чип продолжит функционировать, но вот этот пин нет.
Решение:
Вывод Vin также нельзя замыкать на gnd, хоть он и не относится к микроконтроллеру, но дорожки платы могут сгореть и придется их восстанавливать. В целях безопасности не поленитесь, и подавайте питание через предохранитель рассчитанный на ток 0.5 А.
ВАЖНО:
В технической документации на 328-ю атмегу четко обозначено, что ОБЩИЙ ток через ВСЕ пины не должен превышать 200 мА.
3. Не превышай логические уровни!
Пояснение:
Если на микроконтроллреа в качестве логической единицы выбран уровень 5 В, то и датчик, кнопка или другой микроконтроллер должен посылать сигнал с таким же напряжением.
Если вы подадите напряжение уровнем выше 5.5 Вольт – пин сгорит. Внутри установлены ограничительные элементы, типа стабилитронов, но при их срабатывании токи начинают расти пропорционально приложенному вольтажу. Даже не пытайтесь подавать переменное по знаку напряжение, а уж тем более сетевое – 220 В.
Вот как выглядит функциональная схема вывода микроконтроллера. Элементы (диоды и ёмкость) нужны для защиты от электростатики, т.н. «ESD-protection», они способны защищать чип от КРАТКОВРЕМЕННЫХ всплесков напряжения, но не длительного.
Примечание: превышение даже на половину секунды считается длительным.
Установите на них параметрические стабилизаторы. Схематически это стабилитрон с напряжением стабилизации около 5 Вольт, его ставят между выводом и минусом (gnd), а последовательно нему резистор. Пин подключают в точку между сопротивлением и стабилитроном. При напряжении выше 5 Вольт последний откроется и начнет пропускать ток, на резисторе «останется» лишнее напряжение, а на входе оно зафиксируется на уровне 5-5.1 В.
4. Не нагружайте стабилизатор
Если вы решите запитать нагрузку от пина 5V – можете сжечь линейный стабилизатор, эта шина питает МИКРОКОНТРОЛЛЕР и рассчитана на него, однако, пару маленьких сервомоторчиков он выдержит.
Также нельзя подключать источник внешнего напряжения к этой ножке, стабилизатор не имеет защиты от обратного напряжения. Чтобы питать дополнительные исполнительные устройства берите напряжение от внешнего источника питания.
Запомните эти четыре раздела, и вы обезопасите свою Arduino от ошибок.
Процесс диагностики и ремонта платы оригинальной ARDUINO UNO R3:
Техника безопасности для микроэлектроники
В этом разделе мы поговорим о том, как правильно работать с платой, от этапа сборки, до этапа эксплуатации вашей умной системы. Начнем с монтажных работ.
Можно ли паять к плате Ардуино элементы?
Конечно да, но не все так просто. Я думаю, что у вас неоригинальная плата, а китайская копия, как и у меня, и у тысяч других любителей электроники. Это значит, что качество изготовления таких устройств довольно сильно отличается в зависимости от конкретного экземпляра.
Паяльные станции и регулируемые термостабилизированные паяльники всё плотнее входят в быт и инструментарий домашних мастеров, однако здесь не все так просто.
Приведу свой пример из жизни. Паяю я уже лет 10, начинал с привычных «ЭПСН», а два года назад обзавелся паяльной станцией. Но это не стало залогом качественной работы, я только убедился, что основное требование – это опыт и качественные материалы.
Я купил в хозяйственном магазине припой в спирали с флюсом, мало того, что там была не канифоль, а что-то по запаху напоминающее паяльную кислоту, так он и паялся не понятно как. Ложился хлопьями, не растекался, имел серый цвет и не блестел после расплава. Настройки станции были такие, как и всегда, но и регулировки не дали результатов.
Я купил плату в разобранном виде, нужно было только припаять контактные планки на их посадочные места, проще простого, подумал я и «погрыз» дорожки.
Жало на паяльнике было толстым, теплоемкости для пропайки хватало, но припой никак не хотел растекаться, а дополнительная зеленая флюс-паста не помогала, в итоге от перегрева от платы отошли дорожки.
Плата была новой – я на неё и десяти скетчев не загрузил. Микроконтроллер остался в живых, но дорожки отошли и порвались. Пользы, как и смысла от платы не осталось, паять напрямую к ножкам атмеги на ардуино нано – неудобно и не оперативно. Как результат – выбросил на ветер пару сотен рублей, а мог купить проверенный припой «ПОС-61» и всё было бы прекрасно.
Выводы:
Паяйте нормальным паяльником – это такой паяльник, у которого нет потенциала фазы на жале (проверяется индикатором), а его мощность не превышает 25-40 Вт. Паяйте нормальным припоем и флюсом. Не пользуйтесь кислотами (активным флюсом) и не перегревайте дорожки.
Примечания: если собрались заменить микроконтроллер, во-первых, если он в SMD-корпусе лучше сделать это феном, а во-вторых, не паяйте его слишком долго (более 10-15 секунд), давайте остыть, а при пайке феном можно положить теплоотвод на средину корпуса в виде монетки или малого радиатора.
Подборка полезных статей про Арудино для начинающих:
Оригинальные модели и многие клоны изготовлены из материалов достаточной прочности. Платы покрыты защитным слоем, дорожки ровные и лежат на толстом текстолите уверено.
Края мельчайших элементов вытравлены достаточно качественно. Всё это позволяет переносить достаточно серьезные удары и падения, незначительные изгибы и вибрации. Тем не менее случаи холодной пайки и непропая случаются.
Вибрация и удары может привести к потере контакта, в таком случае можно пройтись паяльником или прогреть плату феном, будьте аккуратны, и не сдуйте SMD-компоненты.
К влаге плата относится, как и любое электрооборудование – отрицательно. Если вы планируете эксплуатировать прибор на улице – позаботьтесь о покупке герметичных разъёмов и корпусов иначе могут быть плачевные последствия:
1. Неправильное чтение сигнала с аналоговых датчиков.
2. Ложные срабатывания;
3. Короткие замыкания пинов между собой и на землю (см. начало статьи).
Окисел, образовавшийся от работы во влажной среде, может вызывать такие же последствия, как и сама влага, только добавляется еще и вероятность потери контакта, отгнивания элементов и дорожек.
Выводы
Линейка плат Arduino ничем не отличается от любой другой электроники, она также «боится» перегрузок, замыканий, воды и ударов. Особых тонкостей при работе с ней вы не встретите.
Однако будьте внимательны при подключении новых датчиков и прочих дополнительных элементов, лучше лишний раз прозвоните или другим способом проверьте покупку. Случается, что «закороченными» могут оказаться платы периферийных устройств, ведь никогда не знаешь чего ждать от китайских собратьев.