Podwójny klucz zasilania High Side

Sobota, 31 Lipiec 2021

Zaprezentowana płytka rozszerza funkcjonalność Raspberry PI Zero (i nie tylko) o sterowanie i monitorowanie stanu dwóch wyjść 12 V o maksymalnym obciążeniu 5 A. Wbudowana opcjonalna przetwornica 5 V/1 A umożliwia zasilanie Raspberry Pi z obwodu zasilania docelowej aplikacji, a detekcja obciążenia pozwala sprawdzić, czy dany element wykonawczy rzeczywiście działa i wykonuje swoje zadanie.

Podstawowe parametry:

sterowanie i monitorowanie stanu dwóch wyjść 12 V o maksymalnym obciążeniu 5 A,
wbudowana przetwornica 5 V/1 A umożliwia zasilanie Raspberry Pi z obwodu docelowej aplikacji,
zasilany jest napięciem 8...16 VDC.

W module zastosowano układ VND830, który w swojej strukturze zawiera dwa identyczne kanały kluczujące z tranzystorami MOSFET. Każdy kanał posiada zabezpieczenie termiczne, blokadę podnapięciową i ograniczenie prądu obciążenia. Budowa wewnętrzna układu została pokazana na rysunku 1.

Rysunek 1. Struktura wewnętrzna układu VND830

Układ kontroli obciążenia umożliwia detekcję przerwy w aktywnym obwodzie obciążenia. Funkcja ta jest szczególnie przydatna przy współpracy z grzałkami, żarówkami lub cewkami siłowników.

Budowa i działanie

Schemat modułu został pokazany na rysunku 2. Moduł zasilany jest napięciem 8...16 VDC poprzez złącze PWR. Dioda DZ1 dodatkowo zabezpiecza układ przed skutkami przepięć, LD3 sygnalizuje obecność zasilania. Wbudowana opcjonalna przetwornica obniżająca PSU typu AMSRB-7805Z o obciążalności 5 V/1 A umożliwia zasilanie Raspberry Pi z obwodów obciążenia, co upraszcza aplikację. Obciążenia podłączone są do złącz OUT1 i OUT2. Diody LD1 i LD2 sygnalizują obecność napięcia na obciążeniu.

Rysunek 2. Schemat modułu

Układ U1 ekspandera GPIO magistrali I2C typu PCA8574 służy do sterowania i monitorowania stanu kluczy. Ustawienie stanów niskich sygnałów OUT1, OUT2 załącza napięcie na obciążeniu. Sygnały ACK1, ACK2 służą do monitorowania usterek obciążenia – stan wysoki sygnalizuje rozwarcie załączonego obciążenia (prąd obciążenia jest mniejszy niż typowe katalogowe dla U4 100 mA). Układy U2, U3 i tranzystory Q1, Q2 pełnią funkcje konwerterów poziomów dla sygnałów sterowania i sygnalizacji U4.

Wyprowadzenia GPIO U1 z sygnałami PB1, PB2 udostępniono na złączu IO. Mogą służyć do podłączenia przycisków ręcznego sterowania wyjść lub dowolnych sygnałów cyfrowych. Na złącze I2C wyprowadzono magistralę I2C ze złącza Raspberry. Wyprowadzenia I2C/IO są powielone na I2CA/IOA, aby można na płytce zastosować w zależności od preferencji złącza JST PH4 o rozstawie 2 mm lub złącza zgodne z standardem Grove. Moduł umożliwia ustawienie zworą A2 dwóch adresów bazowych 0x21 lub 0x25.

Montaż i uruchomienie

Układ zmontowany jest na niewielkiej dwustronnej płytce drukowanej, której schemat wraz z rozmieszczeniem elementów został pokazany na rysunku 3.

Rysunek 3. Schemat płytki PCB z rozmieszczeniem elementów

Montaż nie wymaga dokładnego opisu, należy tylko poprawnie przylutować pady termiczne układu U4. Dla sprawdzenia działania można uruchomić prosty skrypt testowy hisw.sh, którego treść została pokazana na listingu 1.

Listing 1. Skrypt testowy hisw.sh

#!/bin/bash
echo ‘PI Zero Hi Side Switch Example’
i2cset -y 1 0x21 0xFF
sleep 0.1

echo ‘OUT1 ON’
i2cset -y 1 0x21 0xF7
sleep 3

echo ‘OUT1 OFF’
i2cset -y 1 0x21 0xFF
sleep 1

echo ‘OUT2 ON’
i2cset -y 1 0x21 0x7F
sleep 3

echo ‘OUT2 OFF’
i2cset -y 1 0x21 0xFF
sleep 1

echo ‘Quit’

Adam Tatuś, EP

Wykaz elementów:

Rezystory: (SMD0603, 1%)