Arduinoで高電流デバイス（モーター、ソレノイド、ライトなど）をどのように制御できますか？

私は、さまざまなプロジェクトに適応できる、広く適用可能なソリューションを探しています。

現在、Arduino Unoから800mAから2Aの範囲の制御デバイスを必要とするいくつかのプロジェクトに取り組んでいます。1つはステッピングモーターを制御し、1つは12vdcソレノイドアクチュエータを制御し、1つは12vdc空気圧バルブを制御します。

例えば：

Arduinoはボタンを監視し、ボタンが押されるたびにソレノイドアクチュエーターをトリガーします。Arduinoはソレノイドに必要な電流を供給することができないため、Arduinoがスイッチ（リレー、トランジスタなど）を制御し、より大きな電流を流すことができる別個の電源が必要です。ステッピングモーターの場合、4つの独立したスイッチを制御する4つのピンが必要になるため、レイアウトはより複雑になります（回路の相互運用性を維持するため）。リレーはエアバルブを制御し、12vdcも必要とします。

私は、Arduinoピンが処理できるよりも高い電流のデバイスを制御することを含むこれらのアプリケーション（および将来のプロジェクト）のそれぞれで使用できる単一の回路を使用する方法を見つけようとしています。

プロトタイピング速度、標準化されたコンポーネント、および低コストが推進要因です。スイッチング速度、耐用年数、およびノイズも重要です。

Arduinoピンに接続して高電流デバイスの制御に使用できるブレイクアウトボード、回路、またはコンポーネントはありますか？理想的には、さまざまなプロジェクトの抵抗をスケッチ自体に設定できるように、ソフトウェア制御のポテンショメータを使用します。

このような大電流を駆動するには、複数のトランジスタをカスケード接続する必要があります（ダーリントントランジスタを使用することもできます）。チップにはダーリントンのアレイが搭載されています（たとえば、ULN2803Aには8個のダーリントントランジスタがありますが、500mAに制限されています）。

おそらく、より高出力のトランジスタに対処する必要があります。例として、2A電流（4Aピーク）のスイッチングをサポートできるSTMicroelectronics TIP110を見つけましたが、おそらく熱を放散するためにヒートシンクが必要です。

ステッパーが本当に2Aの電流を必要とするのか疑問に思うことに注意してください（それらは大きいですか？）。ステッパーの場合、一般にL293Dなど、簡単に駆動できるICを見つけることができますが、これは600mAのみを駆動できます。

結論として、すべてのデバイスは異なり、適切な回路で駆動する必要があるため、「1つのサイズですべてに対応する」ソリューションは見つかりません。

編集：

プロトタイプの場合、オーバーサイズは問題にならないため、通常のバイポーラトランジスタの代わりにMOSFETを使用できます。MOSFETは、標準のトランジスタよりも高い電流と電圧を駆動できます。

欠点は、スイッチ（リレーなど）としてのみ使用できるため、デバイスの正確な電力を実際に駆動できないことです。それはステッピングモーターやソレノイドにとっては問題ではないと思いますが、それは例えばライトを運転するために重要かもしれません。

ただし、MOSFETのスイッチング速度はこのような目的には十分であるため、PWMを使用できることは良い点です。

価格については、さまざまな種類のMOSFETがありますが、1ドル未満でニーズ（12V、2A）に適合するMOSFETを見つけることができると思います。

このトピックに関するこの素晴らしい記事をご覧になることをお勧めします。

より高い負荷を切り替える方法はたくさんありますが、jfpoilpretはいくつかの良いオプションを説明しています。リレーベースのソリューションをいくつか要約します。これらは主に、比較的遅いスイッチング速度に適しています（つまり、通常はPWMには適していません）。

ソリッドステートリレー
ソリッドステートリレー（SSR）は、事実上半導体ベースのスイッチです。要件に応じてさまざまな構成がありますが、重要な要素は可動部品がないことです。これは、適切に使用すれば、長期的に非常に信頼できることを意味します。

内部的には、通常はMOSFETとサイリスタなどで構成されています。これにより、理論的にはかなり高いスイッチング速度を実現できます。しかし実際には、より多くの電力が設計されているほど、素早く切り替えることは難しくなります。つまり、高速+高出力はかなり高価になる可能性があります。

念頭に置いておくべき重要な要因は、DCではなくACを切り替える場合、通常は異なるタイプのSSRが必要になることです。また、一部の製品には電源が​​分離された状態を保つために、内蔵の光アイソレータなどが付属することに注意してください。

電気機械式リレー
これは、より「伝統的な」アプローチです。電気機械式リレー（EMR）は、電磁コイルで制御される機械式スイッチを含むかなり単純なコンポーネントです。スイッチが通常開いている場合、制御電流が印加されるとコイルがスイッチを閉じます。対照的に、制御電流が印加されると、通常閉じているスイッチが開いた状態になります。

SSRのようなものよりもEMRには多くの利点があります。最も明白なのはコストです。そのシンプルさは非常に安価であり、高出力バージョンではそれほどコストが上がりません。さらに、制御と負荷は本質的に分離されており、ACとDCのどちらを切り替えてもかまいません。

ただし、いくつかの欠点があります。機械的な側面とは、EMRは通常、非機械的なスイッチングソリューションよりもはるかに遅く、接触バウンスの影響を受ける可能性があることを意味します。さらに、それらは物理的に摩耗する可能性があり、衝撃、振動、および（潜在的に）他の磁場などの影響を受ける可能性があります。

EMRを使用する回路を設計する場合、逆起電力（起電力）に注意することが不可欠です。制御電流が印加されると、コイルはインダクタとして機能し、電磁的に電荷を蓄積します。制御電流が停止すると、蓄積された電荷が制御回路を介してサージに戻り、大きな負の電圧スパイク（最初に印加されたものよりもはるかに大きい可能性があります）を作成します。

このスパイクは、残念ながら、接続されているコンポーネントまたはマイクロコントローラーピンを損傷/破壊する可能性があります。通常、リレーの制御接点にダイオードを逆接続することで防止/緩和されます。このコンテキストでは、フライバックダイオードとも呼ばれ、EMFを安全に放散することができます。

jfpoilpretが既に述べたように、パワーMOSFETは、44 Aまでプルアップするデバイスへの12 VDC電源のオン/オフに最適です。このようなパワーMOSFETは、それぞれ1ドル未満で多数あります。より高い電流と電圧を処理できるより高価なMOSFETが利用可能です。

原則として、マイクロコントローラと少数のトランジスタおよび他のいくつかの小さな部品でステッピングモーターを駆動することが可能です。ただし、多くの人が「ステッパードライバーチップ」を使用することを好むため、電源をグランドに短絡するような方法でソフトウェアのバグが誤ってトランジスターをオンにすることはできません（通常、少なくとも2つのトランジスターを破壊します）。最近の多くのステッピングドライバチップは、マイクロステッピング、電流制限、熱過負荷保護、およびその他の優れた機能も処理します。

私が聞いたことがあるすべてのステッパードライバーチップ、およびそれらのチップを使用した市販のブレイクアウトボードは、http：//reprap.org/wiki/stepper_motor_driverにリストされてい ます。

特に、私が見たRepRap 3Dプリンターの多くは、Arduinoを4つのPololuステッパードライバー（各15ドル未満）に接続して、5つのステッピングモーターを駆動します。

MTP3055V MOSFET 60V 12Aトランジスタを使用して、12Vペルチェ（これも高電源）に電力を供給するArduino（Arduino Nano）回路を作成しました。そして、回路は非常にうまく動作しています。