Регулятор напряжения питания на Arduino Uno

В этой статье мы рассмотрим проектирование источника изменяющегося напряжения (регулятор) питания с максимальным напряжением 5 В на основе платы Arduino Uno. Для этой цели мы воспользуемся АЦП (аналого-цифровым преобразованием) и ШИМ (широтно-импульсной модуляцией).

Некоторые электронные устройства работают с напряжением питания 3.3 В, а некоторые — с напряжением 2.2 В. Некоторые схемы работают даже при более низких питающих напряжениях. Поэтому в этом проекте мы создадим простую схему, которая будет обеспечивать на своем выходе напряжение питания в диапазоне 0-5 В с точностью 0.05 В.

Эта схема будет обеспечивать рабочий ток до 100 мА, поэтому ее можно будет использовать для питания большинства используемых в настоящее время датчиков различного назначения. Также эту схему можно применить для зарядки аккумуляторов форматов AA и AAA. С помощью ЖК дисплея можно будет наглядно контролировать величину напряжения и его изменения. Уменьшение и увеличение выходного напряжения в схеме осуществляется с помощью кнопок.

Необходимые компоненты

1. Плата Arduino Uno (купить на AliExpress).
2. ЖК дисплей 16х2 (купить на AliExpress).
3. Транзистор 2N2222 (купить на AliExpress).
4. Резистор 1 кОм (3 шт.) (купить на AliExpress).
5. Конденсатор 100 мкФ (2 шт.) (купить на AliExpress).
6. Кнопка (2 шт.).
7. Источник питания с напряжением 5 В.

Работа схемы

Схема устройства представлена на следующем рисунке.

Напряжение на выходе устройства не будет полностью линейным – оно будет подвержено влиянию шумов. Для нейтрализации этого эффекта параллельно выходу включены конденсаторы. Две кнопки на схеме служат для увеличения и уменьшения напряжения на выходе схемы. ЖК дисплей служит для отображения текущего значения выходного напряжения.

Исходный код программы

Прежде чем приступим к рассмотрению программы кратко повторим принципы использования АЦП и ШИМ в плате Arduino Uno.

Напряжение с выхода схемы мы будем подавать на один из каналов АЦП платы Arduino Uno. После осуществления преобразования (АЦП) мы полученное цифровое значение будем преобразовывать в соответствующее ему значение напряжения и показывать его на экране ЖК дисплея.

Плата Arduino имеет шесть каналов АЦП. Мы можем использовать любой из них. Разрешение АЦП Arduino составляет 10 бит – то есть мы сможем работать с диапазоном целых чисел (0-(2^10) 1023)). Это означает что данный АЦП преобразует входное напряжение от 0 до 5 Вольт в целое число от 0 до 1023. То есть имеем точность АЦП 5/1024= 4.9 мВ. То есть один шаг приращения целого числа на выходе АЦП равен изменению в 4.9 мВ на его входе.

В нашей схеме для АЦП мы будем использовать канал A0. Для осуществления функций АЦП мы должны в программе сделать следующие вещи:

1. analogRead(pin);
2. analogReference();
3. analogReadResolution(bits);

Все каналы АЦП платы Arduino Uno имеют опорное напряжение 5В – то есть это максимальное значение входного напряжения, которое способны обрабатывать данные каналы. Поскольку, к примеру, некоторые датчики обеспечивают на своем выходе диапазон напряжений 0-2.5В, то использование опорного напряжения 5В в данном случае приведет к уменьшению точности измерений. Поэтому в подобных случаях для изменения опорного напряжения целесообразно использовать функцию “analogReference();”. Мы в рассматриваемом случае оставим значение опорного напряжения без изменений.

По умолчанию разрешающая способность каналов АЦП платы Arduino Uno составляет 10 бит. Однако в некоторых случаях (например, для увеличения скорости преобразования) можно уменьшить эту разрешающую способность с помощью команды “analogReadResolution(bits);”. Мы в нашем примере не будем изменять разрешающую способность каналов АЦП.

Если все необходимые настройки канала АЦП сделаны (или оставлены по умолчанию), то для чтения значения с выхода АЦП можно воспользоваться функцией “analogRead(pin);”, где pin обозначает контакт платы Arduino, который мы будем использовать для аналого-цифрового преобразования, в нашем случае это будет контакт “A0”. Для того чтобы сразу сохранить значение с выхода АЦП в переменной можно использовать команду вида ”float VOLTAGEVALUE = analogRead(A0);”, в результате этой команды значение с выхода АЦП будет сохранено в переменной “VOLTAGEVALUE”.

Контакты платы Arduino Uno, на которых возможно формирование ШИМ сигнала, обозначены символом “~”. Всего таких каналов на плате Arduino Uno шесть. Мы в рассматриваемом примере для формирования ШИМ сигнала будем использовать контакт PIN3.

Как использовать ШИМ сигнал в Arduino? Это можно сделать, к примеру, с помощью функции analogWrite(3,VALUE) – эта функция на 3-м контакте сформирует ШИМ сигнала со значением (коэффициентом заполнения), определяемым параметром VALUE. Параметр VALUE может изменяться в диапазоне от 0 до 255. 0 соответствует самому низшему значению, а 255 – самому высшему. При VALUE=255 в результате приведенной команды мы получим 5В на контакте PIN3. Если VALUE=125, то на PIN3 мы получим среднее значение напряжения равное 2,5 В.

Кнопки в схеме подключены к контактам PIN4 и PIN5 платы Arduino Uno. При нажатии одной кнопки мы будем увеличивать коэффициент заполнения ШИМ, а при нажатии другой – уменьшать. Таким образом, мы будем изменять коэффициент заполнения ШИМ на контакте PIN3.

ШИМ сигнал с контакта PIN3 подается на базу NPN транзистора, который обеспечивает изменяющееся напряжение на своем эмиттере. Поскольку на базе транзистора за счет изменения коэффициента заполнения ШИМ напряжение будет изменяться, то и на его эмиттере напряжение также будет изменяться. Таким образом, мы получили источник изменяющегося напряжения питания (регулятор питания).

С выхода схемы напряжение подается на канал АЦП платы Arduino Uno чтобы визуализировать его потом на экране ЖК дисплея.

Видео, демонстрирующее работу схемы