Moduł przełącznika obciążenia typu low-side do Raspberry Pi

Schemat modułu pokazano na rysunku 1. Jako element kluczujący obciążenia zastosowano specjalizowany ośmiokanałowy driver TPD2017FN, który jest funkcjonalnym odpowiednikiem popularnego ULN2803.

Rysunek 1. Schemat modułu

Strukturę wewnętrzną układu można zobaczyć na rysunku 2.

Rysunek 2. Struktura wewnętrzna TPD2017FN (za notą Toshiba)

TPD2017FN w swojej strukturze zawiera osiem identycznych kanałów kluczujących opartych o tranzystory MOSFET. Kluczowanie odbywa się po stronie masy zasilania obciążenia, czyli „Low Side”. Układ ma wbudowane zabezpieczenia termiczne, a każdy kanał – zabezpieczenie przed przeciążeniem klucza w przypadku zawarcia wyjścia (aktywowane, gdy prąd przekroczy 1 A). Każdy z tranzystorów kluczujących wyposażony został ponadto w aktywny układ tłumienia przepięć występujących podczas współpracy z obciążeniami indukcyjnymi. W porównaniu z ULN2803 – dzięki wbudowanym zabezpieczeniom – poprawiona została niezawodność sterowania, natomiast dzięki niskiej rezystancji klucza (max. 0,55 Ω) obniżono moc strat w układzie. TPD2017FN przystosowany jest do bezpośredniego sterowania obciążeniami rezystancyjnymi i indukcyjnymi, dopuszczalne jest równolegle łączenie wyjść w celu zwiększenia prądu obciążenia. Napięcie zasilania i sterowanie układu powinno zawierać się w zakresie 2,7...5 V.

Do sterowania TPD2017FN zastosowano układ ośmiowyjściowego ekspandera GPIO typu MCP23008 współpracującego z magistralą I²C. Przy pomocy zwór A0,1,2 możliwe jest ustawienie jednego z ośmiu adresów (0x20...0x27) magistrali, co dopuszcza podłączenie do ośmiu modułów na jednej magistrali i wygodne sterowanie zespołem nawet 64 wyjść. Całym światem raczej nie posterujemy, ale najbliższą okolicą – na 100%. Wyjścia TPS2017FD, wraz ze wspólną masą, doprowadzone są do złączy OUT14 i OUT58. Moduł uzupełniają opcjonalne złącza magistrali I²C (I²C, I²CA). Zasilanie 3,3 V jest pobierane z listwy GPIO Raspberry. Dopuszczalne napięcie zasilania obciążenia to 24 V, maksymalny prąd każdego z kanałów wynosi 0,5 A a dopuszczalna całkowita moc strat TPD2017FD to 1,8 W. Jeżeli układ będzie pracował w wysokiej temperaturze lub z dużym obciążeniem, warto wyposażyć go w niewielki, naklejany radiator z blaszki miedzianej lub zapewnić chłodzenie wymuszone, aby zapobiec aktywacji zabezpieczenia termicznego.

Układ zmontowano na niewielkiej dwustronnej płytce drukowanej zgodnej z formatem Pi Zero. Rozmieszczenie elementów zaprezentowano na rysunkach 3a i 3b.

Rysunek 3. Rozmieszczenie elementów modułu: a – warstwa TOP, b – warstwa BOTTOM

Montaż nie wymaga dokładniejszego opisu, należy jedynie pamiętać o zalutowaniu w odpowiednich położeniach zwór adresowych A0..2. Gotową płytkę pokazano na fotografii tytułowej.

Moduł nie wymaga uruchamiania – po podłączeniu do Raspberry, poleceniem:

sprawdzamy, czy układ MCP23008 zostanie poprawnie wykryty na magistrali. W modelu ustalony jest adres 0x27 (wszystkie zwory w położeniu „1”). Konfiguracja układu wymaga jedynie zapisu wartości 0x00 do rejestru IODIR (subadres 0x00), ustawiającej funkcję wyjścia GPIO, poleceniem:

oraz wpisania wartości sterującej stanem wyjść (0xYY) do rejestru OLAT (subadres 0x0A) poleceniem:

Ustawienie poszczególnych bitów zwiera odpowiadające im obciążenia do masy. Jeżeli wszystko działa poprawnie, można moduł zastosować we własnej aplikacji.

Adam Tatuś