Не пойму как сжёг UNO

Доброго дня, вот и ещё один новичок сжёг ардуино
В общем-то было ожидаемо, только вот как-то совсем уж быстро и непонятно, история такая:
Был arduino uno r3 и китайско-подвальная копия такого вот шилда http://zelectro.cc/Adafruit_motor_shield
В него в M2 был включен слабенький DC моторчик, один (стоит на шасси с двумя гисиницами).
И записан такой вот скетч

Код (C++):

#include <AFMotor.h>

AF_DCMotor motor(2, MOTOR12_64KHZ);
int motorSpeed = 100;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("Motor test!");

  uint8_t cmd = FORWARD;
  motor.setSpeed(motorSpeed);
}

void loop() {

  if (motorSpeed < 255) {
    motor.setSpeed(motorSpeed+i);
    delay(50);

  }
  else {
    motor.run(switchDirection(cmd));
  }
 
  for (int i = 0; i < 155; i++) {
    motor.setSpeed(motorSpeed+i);
    delay(50);
  }
  motor.run(RELEASE);
  delay(1000);
}

uint8_t switchDirection(cmd) {
  switch (cmd) {
  case FORWARD:
    Serial.print("going backward");
    return BACKWARD;
  case BACKWARD:
    Serial.print("going forwardward");
    return FORWARD;
  default:
    return RELEASE;
  }
}
 

Подключено это всё было через USB к ПК и всё замечательно работало, не грелось, не глючило, долго, и нареканий не вызывало.

Далее случилось мне найти в ящике ac/dc зарядку +12V, 1A, с тем самым разъёмом. Включил его сначала в ардуину, потом засунул в розетку, всё это дело поехало, но глючно как-то, не по программе. Потом остановилось. Немножечко завоняло. Было сильно нагрето в районе чипа Mega16u2 (сам и даже больше - с обратной стороны).

Теперь ардуина не находится ПК, горят оба светодиода, на кнопку reset не реагирует, греется в том же месте.

Чинить навыков нету, диагностировать тоже. Основной вопрос: что я сделал не так? Помогите хотя бы гипотезой, пожалуйста. А то куплю новый, тоже ведь спалю

 

Что у вас за зарядник такой убойный?

 

Да обычный такой зарядник, вот
Думаете, в нём дело? Он мне в комплекте с чем-то достался (не помню), могу сказать только, что это "что-то" не сгорело когда я его пользовал...

 

Может это была 220-12V AC/AC зарядка.
Нечто похожее было когда я дал 12в на 5в пин, Mega16u2 склеил ласты, в то время как 328 жив и по сей день.

Выглядит зарядник пристойно (хотя дороговат), проверяйте чего он там выдает, ну и проверьте схему, может где проводок или джампер не туда.

 

Вот фотка
Быть откровенным, мне всё таки кажется не в ней проблема
Всё равно спасибо за помощь, буду разбираться дальше

 

Возможно, просто БП первый подозреваемый. А какая именно деталь греется можете определить?

 

Да, Mega16u2 чип, он супер раскалённый, греется при подключении и через usb и через jack (5V нет возможности попробовать, но вряд ли это имеет смысл)
Меня очень сильно шилд смущает, написано что он вообще не будет работать со слабыми моторами (< 3V), задизайнен на моторы > 4.5 V и вообще рекомендуется отдельное питание... у меня как раз один слабый моторчик был, висящий на ардуиновской цепи. Я точно не знаю его характеристики, к сожалению. Но почти уверен что где-то там проблема.

 

Значит менять. Либо только его, либо всю плату, смотря что проще и дешевле.

Просто питание драйвера и питание моторов одинаковое, ограничение связано с драйвером. Мотор на меньшее напряжение можно подключать, просто он будет сильнее греться из-за избыточного тока и может раньше сдохнуть.

 

не со слабоыми, а с низковольтными. cкорее всего потому, что на нем падение напряжение и будет порядка этих 3 В. Характерно для всяких древних L29x.

 

Т.е. остаётся пенять только на зарядку? Хорошо, спасибо, раздобуду мультиметр - проверю.
Замену-то уже заказал, только учитывая, что причина не ясна, шанс сжечь и её - слишком велик.

 

вы поаккуратнее с зарядками. Дело в том, что зарядка (в большом числе случаев) оперирует током заряда, например, зарядка для 12 В аккумулятора может догнать до 14.2 В, ну и т.д. Очень часто зарядка с надписью "12" может дать и 14.4, и даже 16 В, причем в импульсе еще больше- 12 В относится к среднеквадратичному значению, а напряжение в максимуме может быть еще выше, раз этак в корень из двух (знак с точками или тире на это как бы намекает). Вам нужна не зарядка, а честный блок питания 9-12 В, или на 5 В с прямым подключением (впрочем, это не ваш случай - у вас моторчики). Так что подождите с экспериментами до покупки тестера.

 

На счёт моторчиков, вставлю пять копеек. Тут упомянули что, низковольтный мотор будет сильнее греться и может раньше сдохнуть. Не сдохнет и греться не будет. Греться будет если на валу нагрузка будет большая дюже... Законы физики непоколебимы. И то, что на моторе написано что 12- вольтовый, ещё не значит, что на 60 вольт его нельзя включать.

 

Я, кстати, измерил зарядку - 13V показывает с копейками, стабильно, так что причину поломки до сих пор не понимаю. Нашёл вот клоны ардуины по 200 руб, буду жечь дальше - разбираться

 

Включить то его можно, но омический нагрев обмоток то никуда не денется, а после достижения тока насыщения он будет только расти. Чем большее напряжение вы даете на двигатель выше номинала, тем больше он работает как печка, чем как двигатель.

 

причем квадратично с напряжением.

Вредный совет? Очень даже значит.

 

Нет такого понятия в электромоторах, ток насыщения. Это не трансформатор. Пока момент на валу в пределах допустимого, ток расти не будет, растут обороты, а с ними противо- э.д.с.
1. Обороты ДПТ определяются напряжением питания двигателя, индукцией магнитного поля постоянных магнитов и длиной провода намотанного на якорь.
2. Крутящий момент двигателя определяется индукцией поля магнитов, длиной провода в якоре и током протекающим через обмотку якоря.
3. Потери ДПТ бывают омические - когда протекающий через якорь ток, греет обмотку. Описываются эти потери законом Джоуля P=RI².
4. Потери ДПТ бывают на гистерезис и на создание вихревых токов. Для борьбы с вихревыми токами магнитопровод якоря набирается из отдельных пластин электротехнической стали. В современных двигателях потери на перемагничивание и вихревые токи невелики.
5. Потери ДПТ бывают механические - трение в подшипниках, трение щеток о коллектор, трение якоря о воздух.

 

Разверну пожалуй

Как улучшить показатели ДПТ ? В производственных условиях можно применить более мощные магниты, например неодимовые вместо ферритовых, применить более тонкие листы электротехнической стали, что бы уменьшить потери на вихревые токи. Но сильный выигрыш может быть только от использования неодимовых магнитов, которые дают индукцию в два раза больше чем обычные ферритовые.
Однако львиной долей потерь в ДПТ - являются омические потери - то есть нагрев обмоток. И единственный способ модернизации двигателя в хоббийных условиях - его перемотка. Ну в принципе можно еще попробовать неодимчики впихнуть.
Как можно уменьшить потери в обмотках? Единственный выход - уменьшить их сопротивление. А как его уменьшить? Взять провод потолще. Но более толстый провод не поместится в пазах якоря. Значит, нужно мотать более толстый провод но, короче длиной.
Например, простое уменьшение числа витков обмотки якоря в два раза, приводит к тому, что можно будет впихнуть в якорь провод сечением в 4 раза большим. То есть уменьшив витки в два раза - мы уменьшаем сопротивление обмотки в 4 раза.
При этом, двигатель станет быстроходнее в два раза. При том же токе, протекающем через двигатель, его крутящий момент упадет в два раза, но обороты вырастут в два раза. Поэтому механическая мощность не изменится. Реально чуть уменьшится из-за увеличения потерь на вихревые токи. Но разница - единицы процентов.
А вот потери на нагрев обмоток упадут в 4 раза. Что и дает тот выигрыш, которого очень хочется.
Цена этому - увеличение диапазона оборотов двигателя в два раза. То есть нужна более тщательная балансировка и борьба с центробежными силами, действующими на обмотки.
Но увеличение оборотов двигателя - единственный действенный метод увеличения удельной мощности двигателя.
Можно пойти еще дальше и устранить щетки с коллектором. Это приведет к бесколлекторному двигателю являющему самый высокий КПД из всех регулируемых электродвигателей.

Часть первая. Идеальный ДПТ.

Итак, имеем якорь двигателя с обмоткой. Длина провода пускай 10м. В двигателе применены постоянные магниты, дающие индукцию поля в 1Тл. Допустим двигатель подключен к источнику тока, который может давать нужный нам ток и ограничивать его по максимуму, скажем на уровне 100А.

Как же работает ДПТ?

Подаем на двигатель напряжение допустим 10В. Изначально якорь не вращается. Источник тока закорочен на обмотку якоря. Если она из сверхпроводника, то сопротивление - 0 Ом. Ток протекающий через обмотку - бесконечность. Ну реально такого не может быть, хотя бы потому, что при больших токах сверхпроводники теряют сверхпроводимость, но это не имеет отношеня к делу.

1. Итак якорь неподвижен, через обмотку протекает весь ток, который может дать источник питания. В нашем случае 100А. Что происходит в двигателе? Если по проводнику помещенному в магнитное поле течет ток, то на проводник начинает действовать сила Ампера - F=B*I*l.

В нашем случае на якорь начнет действовать сила 1Тл*100А*10м=1000Н.
Большая сила, она приведет к быстрому разгону якоря двигателя.

2. Якорь начинает вращаться и провод обмотки начинает пересекать силовые линии магнитного поля. А когда провод пересекает линии магнитного поля в нем индуцируется ЭДС. Но эта ЭДС всегда направлена против ЭДС источника питания. То есть когда якорь начинает вращаться в нем появляется грубо говоря напряжение которое отнимается от напряжения источника питания. Как определить это напряжение (точнее ЭДС, но к напряжению народ больше привык)? Все просто U=B*l*V. То есть это напряжение зависит только от длины проводника и индукции поля магнитов. Пускай якорь разогнался (за довольно малый промежуток времени) до окружной скорости провода обмотки в 0.5м/с. Какова будет ЭДС противодействующая источнику питания? U= 1Тл* 10м*0.5м/с=5В. То есть якорь вращаясь со скорость 0.5м/с будет вырабатывать напряжение 5В, которое противодействует напряжению источника питания. Другими словами, якорь теперь будет запитан напряжением 10-5=5В. Однако сопротивление обмотки 0 Ом. Ток через якорь максимален и равен тому, что может отдать ИП - 100А. К обмоткам несмотря на понижение напряжения питания якоря будет приложена та же сила - 1000Н Так как сила Ампера определяется током.

3. Под действием силы Ампера якорь продолжает ускоряться и допустим достиг скорости движения проводников в поле магнитов - 0.999м/с.
Так как скорость проводника увеличилась, то увеличивается противо-ЭДС наводимое в проводнике. Каково же это значение? U=1Тл*10м*0.999м/с=9.99В. То есть сейчас против напряжения питания 10В будет приложено противодействующее напряжение в якоре 9.99В. Разница напряжений и будет тем напряжением, которое приложено к обмотке якоря - 0.01В. Что же, мы почти достигли напряжения питания. Однако идем дальше. Напряжение в 0.01В прикладывается к обмотке с нулевым сопротивлением, следовательно ток всё равно максимален - 100А. Сила ампера все такая же большая и приводит к дальнейшему разгону якоря. Ну и допустим якорь достиг заветной окружной скорости 1м/с. Тогда противо-ЭДС станет равной 10В. От напряжения питания 10В отнимется тоже 10В и в результате только в таком случае получим напряжение питания обмотки якоря 0В и только сейчас, ток через обмотку якоря прекратится.
Реально же якорь пролетит эту нулевую точку по инерции, напряжение противо-ЭДС превысит напряжение питания и Двигатель перейдет в режим генератора, начав отдавать ток в источник питания и тормозить якорь. Кстати такой эффект можно наблюдать и в асинхронных машинах при их торможении.

Все это справедливо для идеального ДПТ, который очень жестко реагирует на малейшие изменения в напряжении питания.
А как ведет себя реальный двигатель? Точно так же, за исключением того, что ток через якорь уже ограничивается не источником питания, если источник достаточно мощный, а сопротивлением обмотки якоря. Остальные потери - на гистерезис, на вихревые токи, на щетки не рассматриваем. Они принципиально картины не меняют.

 

Ток насыщения есть в любой катушке, даже в соленоиде, где присутсвует ферромагнетик. В том числе и в обмотках двигателя.

 

Если хотите, могу продолжить. Я вам с математической точностью всё разложил, а вы в дебри словоблудия лезете... Не наберёте вы такой ток.

 

Часть вторая. Реальный ДПТ, только с учетом Джоулевых потерь в меди.

Имеем тот же двигатель, но обмотка уже не из сверхпроводника, а из обычной меди. Допустим объем пазов якоря таков, что мы можем поместить туда 10м провода сечением 1мм². Тогда определим сопротивление обмотки - R=rho * l/S = 0.0175Ом*м/мм² * 10м/1мм² = 0.175Ом
Итак, индукция магнитов в двигателе 1Тл, длина провода 10м, активное сопротивление обмотки якоря 0,175Ом. Источник питания по прежнему может дать максимум 100А.

1. Прикладываем к двигателю напряжение питания 10В. Якорь неподвижен. Противо-ЭДС нет. То есть к якорю приложено все напряжение питания - 10В. Ток который сможет течь через якорь равен 10В/0.175Ом= 57А. Источник питания способен его обеспечить без ограничения.

Какую силу Ампера способен дать такой ток? Сила приложенная к якорю составит 1Тл*10м*57А=570Н. Сила довольно большая и вызовет интенсивный разгон якоря. Кстати это максимальная сила, которая определяет максимальный крутящий момент заторможенного двигателя. При этом КПД двигателя будет минимальным. Если строго - то 0%, так как неподвижный якорь не совершает работы.

2. Двигатель разогнался до окружной скорости обмотки в 0.5м/с. Противо-ЭДС индуцируемая в якоре составит величину 5В. Реальное напряжение якоря составит 10-5=5В. Какой ток? 5В/0.175Ом= 28.6А. То есть в реальном двигателе ток в якоре не будет максимально возможным вплоть до достижения нулевой точки. Только у сверхпроводящего двигателя ток в якоре максимален вплоть до нулевой точки - точки равенства напряжения питания и противо-ЭДС. Но, чем меньше сопротивление обмоток якоря, тем жестче двигатель, тем больше он похож на сверхпроводниковый, тем ближе к нулевой точке сдвинут переход от максимального тока к току определяемому потерями в меди.

3. Двигатель продолжал разгоняться и достиг скорости 0.99м/с. Противо-ЭДС в якоре составляет величину 9.9В. Напряжение питания якоря 10В-9.9В=0.1В. Ток протекающий через якорь равен 0.1В/0.175Ом= 0.57А. Сила Ампера = 1Тл*10м*0.57А=5.7Н Эта сила в 100 раз меньше силы развиваемой неподвижным якорем. Допустим двигателю как раз требуется 5.7Н для преодоления трения в подшипниках, в щетках и для вращения нагрузки. В таком случае работа двигателя стабилизируется на этой окружной скорости (читаем оборотах). При изменении нагрузки двигатель отреагирует. Допустим, нагрузка уменьшилась. Обмотка якоря тогда будет давать избыток силы Ампера, что приведёт к тому, что скорость якоря немного увеличится, противо-ЭДС также слегка вырастет, что приведёт к уменьшению тока через якорь и стабилизации двигателя на чуток больших оборотах. Если нагрузка наоборот, вырастет, то вращение якоря замедлится, противо-ЭДС уменьшится, ток через якорь вырастет и двигатель компенсирует возросшую нагрузку. И чем меньше сопротивление обмотки якоря, тем жестче двигатель держит обороты.

4. Каковы же потери заторможенного двигателя? При заторможенном якоре ток через обмотку равен 57А. Якорь не вращается. Куда идет вся мощность потребляемая двигателем? Все просто - на нагрев обмотки якоря. Проверим. Потребляемая мощность от источника 10В*57А= 570Вт. Сколько рассеивается в активном сопротивлении обмотки? Q=I²*R = 57*57*0.175= 569Вт (разбежность из-за округлений). Какой КПД двигателя? 570Вт получаем, 570Вт рассеиваем в нагрузку ничего не даем. Так и должно быть. КПД - 0%.

5. Каковы потери двигателя совершающего полезную работу, но с перегрузкой? Пусть двигатель под нагрузкой способен вращаться с окружной скорость 0.5м/с. Ток протекающий через обмотку якоря при такой скорости составляет 28.6А. Потребляемая мощность от сети = 10В*28.6А=286Вт. А каковы же потери? Они равны Джоулевому теплу - I²*R = 28.6*28.6*0.175= 143Вт. То есть двигатель потребляет 286Вт, рассеивает 143Вт. Каков КПД? Просто - (286-143)/286*100% = 50%. Довольно низкий КПД. Но это и понятно. Двигатель заторможен очень сильно. При напряжении питания 10В его якорь вращается со скоростью в два раза ниже скорости ХХ.

6. Каковы потери двигателя при нормальной работе? Пусть двигатель нагружен так, что его окружная скорость не сильно просела, то есть довольно близко от оборотов ХХ. Допустим скорость 0.9м/с. Тогда противо-ЭДС двигателя 9В, истинное напряжение питания якоря 1В. Ток протекающий через якорь 1В/0.175Ом=5.7А. Мощность потребляемая двигателем от сети 57Вт. Каковы же Джоулевы потери? Значительно меньше - 5.7А*5.7А*0.175Ом=5.7Вт, КПД составит (57-5.7)/57*100%=90%. Значительно лучше. То есть двигатель работает с высоким КПД, когда его окружная скорость близка к скорости ХХ. Этим двигатели с постоянными магнитами и так называемые, шунтовые, очень похожи на асинхронные двигатели. Они стараются держать обороты: при небольшой просадке оборотов, они увеличивают потребляемый ток и соответственно момент на валу. И чем выше номинальный КПД двигателя, то есть чем меньше активное сопротивление обмоток, тем жестче двигатель реагирует на изменение нагрузки, вызывая резкое увеличение тока, для компенсации просадки оборотов.