Arduino I/O 之数字输出扩流

1 概述

Arduino 的单个数字引脚，最大只有5V、20mA/40mA 的输出能力，这个对于需要大电压、大电流的应用（如控制大功率 LED 、继电器、电机）其能力是不够的（驱动能力太弱）

因此需要一些外围电路来增强其驱动能力

适用于扩展后负载电压 5V以下，负载电流建议 <1A

Arduino 输出引脚直接连电阻驱动三极管基极

优点：简单方便，成本低。开关频率上限直接由三极管决定，可以做的很高
缺点：受控大电流和 Arduino 直接连通，所以外置驱动电源不建议超过 5V，以免外置电源的电压通过 Q1 倒灌到 Arduino 引脚引起 Arduino 烧坏
选材：三极管 Q1 可以选用小功率的 NPN 三极管。推荐型号有 2SC1815，2N2222，8050，2SD882等；基极电阻 R1 必不可少，否则会导致 Arduino 因为引脚负载过大而发热甚至烧毁。R1 阻值在 100Ω~10K 之间均可，推荐值 1kΩ。所有电阻功率无要求，贴片 0805 以上，直插 1/8w 以上的就行，以下所有电路均使用这种电阻规格

适用于 220V 交流直接控制，或者大功率直流控制，建议用于负载电流 0.2A~40A 间

Arduino 可以很方便地控制固态继电器 (Solid Relay) ，驱动固态继电器就像驱动一个 LED 那么简单

优点：使用最简单，抗干扰能力最强，无电磁干扰。可以控制交流电/直流电，并且可以控制很大电流的负载
缺点：成本略高
选材：注意的是，固态继电器有两种：直流控制交流固态继电器/直流控制直流固态继电器。它们的受控端有本质的区别，不能混用。直流控交流的交流是用可控硅进行开关的，而直流控直流用的是三极管或者场效应管进行开关

适用于大范围负载电压，建议用于负载电流 1A~5A 间

通过光耦和 NPN 三极管连用，完全等效于直流固态继电器

适用于低速，对受控端开关电阻有要求的场合，建议用于负载电流 0~3A 间

用一个小功率三极管扩流，然后控制一个 5V 的继电器（单 Arduino 管脚无法驱动继电器）

优点：扩流电流大，并且由于继电器是机械闭合触点，闭合电阻基本为零，不像固态继电器或者三极管，有正向压降；适用于对闭合电阻要求高的场合，比如受控端是开关 0~0.7V 的信号。使用三极管或者固态继电器就不能工作了，只能使用继电器。
缺点：低速，每秒最快只能开关几次；机械开关使用寿命短，开关频率高的话，很快就会坏掉。成本高，电路也不简单；开关电流大，需要充足的电源供给继电器吸合。有较强的空间电磁干扰（EMI），会对高速数字电路（USB，串口，视频等）或者小信号模拟电路（音频信号线，仪器测量输入线）造成干扰。必须做好屏蔽措施；并且继电器断开时候会产生反向高压，必须处理反压
选材：继电器必须选用 5V 控制的，因为 Arduino 只有 5V。并且继电器吸合电流必须小于 200mA，不能影响 Arduino 使其工作电压不稳。如果不能满足的话，可以尝试继电器级联，即小继电器拖动大继电器

在上面方案的基础上，加光耦隔离，5V 的 Arduino 可控制 12V 的继电器

适用于大负载直流电流，建议用于负载电流 5A~100A 间

用场效应管代替三极管扩流。由于场效应管属于电压控制型器件，输入电流极小。与三极管扩流相比，可以获得更快的开关速度和更小的输入电流，并且可以控制很大的直流电流（比如 10~50A）。用 Arduino 驱动的话。驱动电路跟1、3几乎一样，只是换了场效应管

优点：控制电流小，等效于驱动一只LED。受控大电流和Arduino控制板完全电气隔离，即使受控部分发生事故烧毁了，也不会影响到Arduino主板。有最高的控制速度，并且电流也可以做的非常大
缺点：电路比较复杂，场效应管成本比三极管更高
选材：场效应管可以使用普通的N沟道增强型场效应管 (N-Channel Enhancement Mode Field Effect Transistor) 型号有：CEP80N75 (75V, 80A, 75W), IXGQ240N30P (IGBT管, 240A, 300V, 500W), IRF630 (9A, 200V, 75W)