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.
Содержание статьи
Как сжечь микроконтроллер
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.
Пошаговое обучение программированию и созданию устройств на микроконтроллерах AVR: Программирование микроконтроллеров для начинающих
Как защитить входы?
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 .
Научитесь разрабатывать устройства на базе микроконтроллеров и станьте инженером умных устройств с нуля: Инженер умных устройств
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:
Способы чтения и управления портами ввода-вывода Ардуино
Как подключать аналоговые датчики к Ардуино и считывать показания датчиков
Как с помощью Ардуино безопасно управлять нагрузкой на напряжении 220 вольт
Какие бывают дисплеи для Ардуино и как их подключить
Как обращаться с платой ардуино?
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.
Смотрите по этой теме:
Информация, опубликованная на данном веб-сайте, представлена исключительно в ознакомительных целях, за применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
