Arduino condensateurs, relais et relais à semi-conducteurs

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Condensateurs, relais et relais à semi-conducteurs

Circuits de conducteur

Une broche de sortie logique numérique typique ne peut fournir que des dizaines de MA de courant. Bien qu’ils puissent exiger les mêmes niveaux de tension, les petits périphériques externes tels que les LED, les moteurs, les haut-parleurs, les ampoules, les amplificateurs, les solénoïdes et les relais peuvent nécessiter des centaines de MA. Les périphériques plus grands pourraient même avoir besoin de plusieurs amplis. Pour contrôler des appareils plus petits qui utilisent DC, un circuit de commande à base de transistor peut être utilisé pour augmenter le courant aux niveaux requis pour le périphérique. Lorsque les niveaux de tension et de courant sont dans la plage correcte, le transistor agit comme un commutateur à courant élevé commandé par le signal logique numérique à courant inférieur. Un BJT discret est parfois utilisé à la place d’un transistor MOSFET plus récent spécialement sur les circuits anciens ou de basse tension comme indiqué ci-dessous. Sur mbed,

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Circuit de base du conducteur à l’aide d’un transistor BJT

Le transistor fournit principalement un gain actuel. Les transistors PNP, NPN ou MOS peuvent également être utilisés. La résistance utilisée sur la base du transistor est généralement d’environ 1K ohm. Sur les charges inductives (c’est-à-dire les moteurs, les relais, les solénoïdes), une diode est souvent connectée à l’arrière de la charge pour supprimer les pointes de tension (EMF arrière) générées lors de la mise hors tension des périphériques. (Rappel sur une inductance V = L * di / dt, de sorte qu’une pointe de tension négative est produite lors de l’extinction de l’appareil). Parfois, la diode est également connectée à travers le transistor au lieu de la charge (ceci protège le transistor). Le 2N3904 montré ci-dessous est un petit transistor discret BJT qui peut être utilisé pour un circuit de conducteur nécessitant moins de 200MA. Dans ce circuit avec BJT, Vcc peut également être une alimentation de tension plus élevée que l’alimentation logique. Un courant de 6 ou 12 V est souvent nécessaire pour les moteurs ou les relais. Dans les appareils à piles, la charge peut être directement connectée à la batterie et ne pas passer par le régulateur de tension. Beaucoup de dispositifs tels que les moteurs ont un pic de courant d’appel immédiat momentané lorsqu’ils sont d’abord allumés et ont un courant de décrochage plus important, donc soyez un peu conservateur sur les valeurs nominales maximales. 2N3904 Transistor dans un package TO-92 Alors soyez un peu conservateur sur les notes de courant maximum. 2N3904 Transistor dans un package TO-92 Alors soyez un peu conservateur sur les notes de courant maximum.

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2N3904 Transistor dans un package TO-92
Selon le gain actuel du transistor utilisé, certains ajustements peuvent être nécessaires dans la valeur de la résistance de base. Un transistor TO-92 à haut gain tel que le ZTX689B peut conduire jusqu’à 2 A jusqu’à 12 V dans ce circuit. Une paire de transistors Darlington contient deux transistors BJT connectés ensemble pour un gain de courant plus élevé. Si un transistor Darlington dans un emballage TO-92 tel qu’un ZTX605 est utilisé dans le circuit du conducteur , les sorties de 1A jusqu’à 100 V sont possibles . À des niveaux de courant élevés, le transistor pourrait être un peu chaud. Les transistors peuvent même devenir trop chaud et brûler si le circuit n’est pas conçu correctement. Le transistor doit dissiper la puissance (V * I) dans sa jonction CE (c’est-à-dire le point de commutation) en tant que chaleur. Cela signifie que le transistor doit être complètement “activé” (saturation) ou “désactivé” (seuil) pour minimiser la dissipation de chaleur et maximiser l’efficacité. Les transistors de puissance plus grands ont des languettes métalliques sur le boîtier qui peuvent être connectés à un dissipateur de chaleur pour le refroidissement. Les broches sur les transistors de puissance plus grands sont souvent trop importantes pour les panneaux standards et l’espacement n’est pas toujours compatible.

Contrôle PWM

Le signal logique (commande) active et désactive le transistor pour générer des charges de courant élevées. Pour le contrôle de la vitesse du moteur ou des lumières de gradation , un signal de sortie PWM numérique est généralement utilisé pour la commande au lieu d’une sortie analogique. Le PWM numérique est plus efficace en énergie que l’analogique, car il réduit de manière significative la chaleur dissipée par le transistor (c’est-à-dire qu’il est toujours “sur” ou “désactivé”). Pour les moteurs, la fréquence d’horloge PWM se situe généralement dans la gamme des dizaines de KHz. Pour l’éclairage, il doit être supérieur à 50 Hz ou peut-être à 100 Hz. Les premières études sur les systèmes d’alimentation électrique ont montré que beaucoup de personnes souffraient de maux de tête causés par des systèmes d’éclairage utilisant moins de 50 Hz, même s’ils ne perçoivent pas directement un scintillement. Un amplificateur de classe D utilise PWM pour diriger les haut-parleurs audio et la fréquence d’horloge PWM est habituellement autour de dix fois la fréquence la plus élevée du signal audio. Un filtre passe-bas est parfois ajouté à la sortie. La page Mbed PWMout Handbook montre un exemple utilisant PWM pour réduire une LED. Même lors de l’utilisation de PWM, certains grands transistors peuvent nécessiter un dissipateur de chaleur pour un bon refroidissement . Si le transistor devient trop chaud pour le toucher, il faut un dissipateur thermique plus grand.

Problèmes de bruit liés aux charges élevées

La commutation de charges inductives à courant élevé et l’arcation du moteur peuvent provoquer des pointes de bruit ou des surtensions sur les lignes d’alimentation et il est possible qu’elles puissent devenir assez grandes ou que la tension d’alimentation puisse tomber momentanément assez bas pour allumer une grande charge inductive pour provoquer un microprocesseur Pour se bloquer et même réinitialiser lors de l’utilisation de la même alimentation que la charge, il est possible que des condensateurs supplémentaires de découplage de l’alimentation puissent être ajoutés près de la charge de courant élevée, ou une alimentation d’alimentation séparée peut être utilisée pour la charge de courant élevée.

Si les pointes à haute tension, les surtensions ou les décharges électrostatiques (électricité statique) sont une question potentielle, les diodes de suppression de la tension transitoire (TVS) (également connues sous le nom de transorbes) ou les varistances ( également appelées MOV ) sont parfois connectées à une grande charge de courant Ou les lignes d’alimentation haute tension pour encore plus de protection. Les MOV se trouvent généralement dans les bandes de sortie de protection contre les surtensions CA. Une grande variété de ces appareils sont disponibles dans différentes gammes de tension et de courant. Ces dispositifs réduisent généralement les pointes de tension au-dessus d’une tension de seuil fixe. Il est fréquent de choisir un transorb ou MOV avec une tension de seuil de blocage un peu plus élevée que la plage de fonctionnement normale trouvée dans le circuit (> 20%?).

Driver ICs

En alternative à l’utilisation de transistors discrets, des circuits intégrés de pilote spécialisés sont également disponibles pour pouvoir conduire plusieurs périphériques. Ces circuits intégrés contiennent plusieurs circuits de contrôleurs de transistor internes similaires à ceux décrits ci-dessus. Un petit nombre est encore disponible dans un package DIP qui peut se brancher sur une platine telle que lepilote ULN2803 à 8 canaux 500MA 50V, vu que la plupart de ces derniers sont des circuits intégrés de surface qui nécessiteront une planche à découper pour une utilisation sur une platane.

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ULN2803 Pilote Darlington de 8 canaux DIP IC

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TLC5940 Pilote PWM 16 canaux

Le TI TLC5940 est un circuit intégré IC de 16 canaux avec une commande PWM à cycle de 12 bits (0 – 4095), un contrôle de limite de courant de 6 bits (0 à 63) et une chaîne en cascade Interface série (SPI). Le courant de transmission maximum est de 120 mA par sortie. Il est pratique pour augmenter le nombre de sorties PWM à courant élevé disponibles. Cet IC était initialement ciblé pour la conduite de tableaux LED. 16 sorties PWM peuvent sembler beaucoup, mais un robot humanoïde peut avoir besoin de plus de vingt pour contrôler tous les servomoteurs utilisés dans les joints. En plus du paquet DIP vu ci-dessus, est-il également disponible en montage en surface. Sparkfun fait apparaître ci-dessous le panneau de discussion en utilisant le paquet de montage en surface. Une bibliothèque de codes TLC5940 est disponible pour mbed. Il existe même une version spéciale d’une bibliothèque de code mbed uniquement pour les servos qui configurent un réseau de servo 16. Les IC du conducteur peuvent également nécessiter des dissipateurs de chaleur ou d’autres considérations de refroidissement lorsqu’ils sont utilisés à des niveaux élevés de courant. Cet IC était initialement ciblé pour la conduite de tableaux LED. 16 sorties PWM peuvent sembler beaucoup, mais un robot humanoïde peut avoir besoin de plus de vingt pour contrôler tous les servomoteurs utilisés dans les joints. En plus du paquet DIP vu ci-dessus, est-il également disponible en montage en surface. Sparkfun fait apparaître ci-dessous le panneau de discussion en utilisant le paquet de montage en surface. Une bibliothèque de codes TLC5940 est disponible pour mbed. Il existe même une version spéciale d’une bibliothèque de code mbed uniquement pour les servos qui configurent un réseau de servo 16. Les IC du conducteur peuvent également nécessiter des dissipateurs de chaleur ou d’autres considérations de refroidissement lorsqu’ils sont utilisés à des niveaux élevés de courant. Cet IC était initialement ciblé pour la conduite de tableaux LED. 16 sorties PWM peuvent sembler beaucoup, mais un robot humanoïde peut avoir besoin de plus de vingt pour contrôler tous les servomoteurs utilisés dans les joints. En plus du paquet DIP vu ci-dessus, est-il également disponible en montage en surface. Sparkfun fait apparaître ci-dessous le panneau de discussion en utilisant le paquet de montage en surface. Une bibliothèque de codes TLC5940 est disponible pour mbed. Il existe même une version spéciale d’une bibliothèque de code mbed uniquement pour les servos qui configurent un réseau de servo 16. Les IC du conducteur peuvent également nécessiter des dissipateurs de chaleur ou d’autres considérations de refroidissement lorsqu’ils sont utilisés à des niveaux élevés de courant. Est-il également disponible en montage en surface. Sparkfun fait apparaître ci-dessous le panneau de discussion en utilisant le paquet de montage en surface. Une bibliothèque de codes TLC5940 est disponible pour mbed. Il existe même une version spéciale d’une bibliothèque de code mbed uniquement pour les servos qui configurent un réseau de servo 16. Les IC du conducteur peuvent également nécessiter des dissipateurs de chaleur ou d’autres considérations de refroidissement lorsqu’ils sont utilisés à des niveaux élevés de courant. Est-il également disponible en montage en surface. Sparkfun fait apparaître ci-dessous le panneau de discussion en utilisant le paquet de montage en surface. Une bibliothèque de codes TLC5940 est disponible pour mbed. Il existe même une version spéciale d’une bibliothèque de code mbed uniquement pour les servos qui configurent un réseau de servo 16. Les IC du conducteur peuvent également nécessiter des dissipateurs de chaleur ou d’autres considérations de refroidissement lorsqu’ils sont utilisés à des niveaux élevés de courant.

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Panneau Sparkfun TLC5940 Breakout

Les appareils nécessitant plusieurs amplis de courant auront besoin d’un circuit de conducteur plus complexe avec des transistors de puissance plus grands sur les puits de chaleur, et plus d’un étage d’amplification de courant de transistor peut être nécessaire. Il n’est pas conseillé ou fiable à long terme de connecter plusieurs petits transistors BJT en parallèle pour augmenter la sortie de courant fournie par le circuit de conduite; Un transistor de puissance plus grand doit être utilisé. Les circuits de commande peuvent être construits en utilisant de petits transistors discrets tels que la TO-92 taille 2N3904 sur une table basse standard. Si un entraînement de courant encore plus élevé est nécessaire, les transistors de puissance plus grands utilisés ne correspondent pas directement à une carte à puce et les fils ne sont pas suffisamment grands. Le fait d’avoir ces appareils déjà assemblés sur une petite PCB permettra d’économiser le temps de prototypage avec mbed, donc ces options seront l’objectif principal ici.

Pour les haut-parleurs, Un amplificateur audio IC est souvent utilisé pour diriger le haut-parleur. Les nouveaux amplificateurs audio de classe D utilisent actuellement PWM.

MOSFET

Aux niveaux de tension élevée et de courant élevé, les transistors MOSFET plus récents sont plus efficaces que les BJT plus anciens. En BJT, le courant de base contrôle le commutateur, mais dans MOSFET, c’est la tension de grille. Un symbole et un ensemble de transistors à transistor MOSFET à canal N commun RFP30N06LE sont présentés ci-dessous.

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Symbole du transistor MOSFET N-Channel et brochage du paquet TO-220

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Sparkfun MOSFET driver breakout board

Le tableau ci-dessus utilise le transistor MOSFET RFP30N06LE évalué à 60V et 30A pour des charges de courant plus élevées. La taille de la trace sur la PCB et la taille du fil pour les bornes à vis limite les charges à environ 4A. Les bornes à vis sont utilisées pour les connexions à courant élevé, car les fils doivent être plus grands que les fils de jarret standard. Le schéma est visible dans l’image ci-dessous. Ce MOSFET spécial a une très faible tension d’entrée de grille qui fonctionne avec des signaux logiques de 3.3V comme ceux sur mbed.
Un MOSFET typique fonctionne un peu plus efficacement si l’entrée de grille est un peu plus élevée que la tension d’alimentation. Les circuits intégrés de conducteur MOSFET spéciaux tels que le LTC1155 utilisent un circuit de pompe de charge pour générer la tension de grille plus élevée sur des circuits de circuit MOSFET à plus haute tension à l’aide d’un signal de contrôle de niveau logique numérique normal (c.-à-d. , Utile lorsque la tension de charge (RAW en schéma) est plus grande que la tension d’alimentation logique). Le LTC1155 est utilisé avec un MOSFET dans de nombreux ordinateurs portables et téléphones portables pour allumer et éteindre la gestion de l’alimentation et est disponible dans un boîtier DIP à 8 broches ou un support de surface. La protection contre les surtensions et les courts-circuits peut également être ajoutée en utilisant le LTC1155. Certains grands MOSFET, y compris celui de la carte Sparkfun, contiennent déjà une diode à amortisseur interne pour conduire des charges inductives. Si ce n’est pas le cas, il serait judicieux d’ajouter une diode externe lors de la conduite de charges inductives. Le LTC1155 est utilisé avec un MOSFET dans de nombreux ordinateurs portables et téléphones portables pour allumer et éteindre la gestion de l’alimentation et est disponible dans un boîtier DIP à 8 broches ou un support de surface. La protection contre les surtensions et les courts-circuits peut également être ajoutée en utilisant le LTC1155. Certains grands MOSFET, y compris celui de la carte Sparkfun, contiennent déjà une diode à amortisseur interne pour conduire des charges inductives. Si ce n’est pas le cas, il serait judicieux d’ajouter une diode externe lors de la conduite de charges inductives. Le LTC1155 est utilisé avec un MOSFET dans de nombreux ordinateurs portables et téléphones portables pour allumer et éteindre la gestion de l’alimentation et est disponible dans un boîtier DIP à 8 broches ou un support de surface. La protection contre les surtensions et les courts-circuits peut également être ajoutée en utilisant le LTC1155. Certains grands MOSFET, y compris celui de la carte Sparkfun, contiennent déjà une diode à amortisseur interne pour conduire des charges inductives. Si ce n’est pas le cas, il serait judicieux d’ajouter une diode externe lors de la conduite de charges inductives.

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Circuit de conducteur MOSFET pour charges DC à courant élevé

Entrées flottantes

Notez la résistance débrochable 10K sur la ligne d’entrée de contrôle. Cela empêche l’entrée de la grille de flotter haut et d’allumer l’appareil lorsque rien ne conduit l’entrée. Si elle a flotté, il est également possible que le MOSFET puisse osciller et surchauffer. Dans la plupart des cas, l’appareil doit être désactivé si quelque chose ne va pas. Cela peut se produire si un fil n’a pas été connecté ou peut-être brièvement lorsque le microcontrôleur est réinitialisé et que les broches GPIO sont réinitialisées en mode d’entrée. Cela pourrait également se produire si l’alimentation électrique du microcontrôleur n’est pas activée, mais une autre source d’alimentation pour l’appareil est activée. Un problème de conception similaire de laisser des entrées de contrôle flottant dans un système de contrôle informatique dans une centrale hydroélectrique a provoqué une panne de courant majeure en Californie lorsque la puissance a été perdue sur l’ordinateur.

Câblage

Mbed PCB MOSFET 5V <200MA * Périphérique externe
Gnd JP2-2 gnd  
5V JP2-1 RAW  
P8 Contrôle JP2-3  
  JP1-1 Dispositif (nég)
  JP1-2 Dispositif (pos)

Toute piste de sortie numérique peut être utilisée pour la commande (se connecte à l’entrée de contrôle du circuit de conducteur). Si vous prévoyez d’utiliser PWM, sélectionnez l’une des broches PWMOut mbed . Gardez à l’esprit que mbed ne peut fournir qu’environ 200 mA de courant pour les périphériques externes via l’alimentation USB, donc une alimentation CC externe peut également être nécessaire pour de grandes charges. Lorsque vous utilisez des alimentations DC externes pour une alimentation supplémentaire (à RAW dans le schéma ci-dessus), connectez uniquement les zones d’alimentation ensemble (c.-à-d., Et pas mbed Vcc et RAW même si la tension est la même).

Voici un exemple de programme qui active et désactive l’interrupteur de transistor tous les 2 secondes.

 

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#include  "mbed.h"
 
DigitalOut myled (LED1);
DigitalOut Ctrl (p8);
 
Int  main () {
     while ( 1 ) {
        Ctrl =  1 ;
        Myled =  1 ;
        Attend ( 2 );
        Ctrl =  0 ;
        Myled =  0 ;
        Attend ( 2 );
    }
}
 

 

IGBT

Le transistor bipolaire de porte isolée (IGBT) est un nouveau type de dispositif semi-conducteur utilisé comme commutateur électronique dans des designs plus récents qui combinent une efficacité élevée et une commutation rapide. Il est utilisé dans des applications de moyenne et haute puissance telles que les appareils, les voitures électriques, les trains, les réfrigérateurs à vitesse variable, les climatiseurs, les systèmes stéréo qui utilisent des amplificateurs de commutation et même des machines à souder. Ils peuvent être connectés en parallèle pour rendre les appareils équipés de valeurs nominales allant jusqu’à 6000V et des centaines d’amplis. Il a un FET de porte isolée comme entrée de contrôle d’un BJT.

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Symbole schéma IGBT

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Infineon Hybrid Car IGBT module de commutation

Le module IGBT vu ci-dessus sert à basculer le moteur d’ entraînement dans des voitures hybrides. Il contient six IGBT (moteur à courant alternatif 3 phases avec variateur de fréquence à l’ aide de PWM) et est évalué à 800A / 650V. Beaucoup de nouveaux fours domestiques éconergétiques ont également un moteur souffleur à variateur de fréquence variable. Un large éventail de modules IGBT sont disponibles allant de plusieurs amps à plusieurs milliers d’amplis et, dans cette gamme, ils peuvent être plus efficaces en énergie que les MOSFET de puissance.

Circuits intégrés de pilote spécial

En alternative à l’utilisation de plusieurs transistors de puissance discrets montés sur un PCB, plusieurs circuits de pilotes sont souvent emballés dans des circuits intégrés destinés à des applications particulières afin d’économiser de l’espace et de réduire les coûts. Deux des exemples les plus courants sont les circuits intégrés de moteur et de LED.

H-Bridge Driver ICs

Pour contrôler et inverser un moteur à courant continu, un circuit en pont H est utilisé avec deux signaux de commande et quatre transistors de commande. Ceci permet d’inverser la direction du courant à travers la charge de manière similaire à l’échange des fils sur un moteur à courant continu.

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Pilote de pont H de base pour la commande du moteur à courant continu

Le circuit H-Bridge de base avec quatre transistors de puissance qui fournissent le courant de commande pour le moteur est vu ci-dessus. Dans ce circuit, vous pouvez penser que les transistors de puissance fonctionnent comme commutateurs marche / arrêt. Deux entrées de niveau logique numérique, en avant et en arrière, activent et désactivent les paires diagonales de transistors pour inverser le flux de courant à travers le moteur à courant continu (M). Dans certains circuits en pont H très simples, l’avancement et l’inversion ne doivent pas être allumés en même temps ou il sera court à l’alimentation électrique. Les circuits en H-bridge plus avancés empêchent ce problème avec un peu plus de décodage sur les entrées de transistor et ajoutent une fonction de freinage dynamique. Le freinage dynamique peut générer un peu plus de chaleur dans l’IC du pont H. Les MOSFET sont souvent utilisés dans les nouveaux IC H-bridge au lieu des BJT.

Voir http://mbed.org/cookbook/Motor par exemple un code utilisant un pilote H-bridge pour contrôler la direction d’un moteur à courant continu. Il utilise également le PWM numérique pour le contrôle de la vitesse du moteur. Les petits modules en pont H sont disponibles sur les panneaux de panne.

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Pololu ou Sparkfun 1.2A

Panneau de pannes MOSFET Dual H-bridge Le petit panneau de pannes vu ci-dessus utilise l’IC du conducteur du moteur H2 TB6612FNG double H Toshiba, qui peut commander indépendamment deux moteurs DC bidirectionnels ou un moteur pas à pas bipolaire. Une tension de moteur recommandée de 4,5 à 13,5 V et une sortie de courant de pointe de 3 A par canal (1 A en continu) en font un moteur pratique pour les moteurs à faible puissance. De nombreux petits robots ont deux moteurs à courant continu contrôlés par un double pilote de pont H avec contrôle de vitesse PWM. La page de livre de recettes du robot magique Sparkfun comporte des exemples de code pour mbed. Des modules H-bridge en courant supérieur sont également disponibles.

La vitesse des moteurs à courant continu varie avec la charge et varie également d’un moteur à l’autre, même sur des moteurs identiques. Pour un contrôle précis de la vitesse sous des charges variables, les commentaires sont généralement requis. Trois projets de livre de recettes, QEI , PID et mbed Rover fournissent des informations supplémentaires sur la façon d’utiliser les commentaires pour un contrôle de vitesse plus précis des moteurs à courant continu.


Petite classe D Amp Breakout from Adafruit

De nombreux circuits intégrés d’amplificateur audio de classe D utilisent également un circuit de pilote H-bridge. Des exemples peuvent être trouvés dans les pages des composants mbed .

CI du conducteur du moteur pas à pas

Les moteurs pas à pas ont des enroulements de bobines multiples qui doivent être activés dans la séquence actuelle pour faire tourner l’arbre du moteur par un angle fixe sans avoir besoin de matériel de retour de position. Les moteurs pas à pas sont utilisés dans les dispositifs pour fournir un contrôle de position précis et peu coûteux (c’est-à-dire déplacer la tête d’impression sur une imprimante à jet d’encre). Les circuits intégrés du moteur du moteur pas à pas contiennent un pilote de pont H pour chaque enroulement et incluent souvent une petite machine d’état ou un compteur de séquence à travers les états corrects pour conduire le moteur. Les entrées de contrôle typiques sont étape et direction. Les nouveaux circuits intégrés de moteur de démarrage peuvent répondre à une variété de commandes complexes qui incluent même la possibilité de déplacer des fractions d’une étape en utilisant PWM ou peut-être déplacer plusieurs étapes automatiquement. La carte de panne du moteur du moteur pas à pas de Pololu, vue ci-dessous, entraînera un moteur pas à pas bipolaire jusqu’à 2A par bobine à l’aide du circuit imprimé Allegro A4988 DMOS Microstepping Driver . Un exemple de bibliothèque pour contrôler les moteurs pas à pas est disponible dans le livre de recettes. Une grande variété de circuits intégrés de moteur de démarrage est disponible.

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Panneau de panne de moteur de moteur pas à pas de Pololu

Circuits intégrés de pilote LED

Les LED lumineuses à haute puissance nécessitent plus de courant que la broche de sortie logique numérique typique peut fournir et ils ont besoin d’un circuit de pilote. Le petit module ci-dessous contient le circuit intégré Allegro A6281 avec trois circuits de commande 150MA pour une LED haute puissance rouge, verte et bleue (RGB). Il comprend également le matériel de gradation PWM pour chacun des trois circuits de commande et il peut générer 2 30 couleurs et niveaux de luminosité différents. Des exemples de code pour mbed peuvent être trouvés sur la page de livre de recettes Shiftbrite . Les modules peuvent être enchaînés pour créer de grands tableaux LED. Avec la croissance rapide de l’éclairage LED, il existe un certain nombre de circuits intégrés pour les lecteurs LED.

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Panneau de démarrage du conducteur LED RGB Shiftbrite

 

Relais

Les relais peuvent également être utilisés pour commuter des appareils à courant alternatif et DC haute tension et / ou haute tension utilisant des signaux logiques pour le contrôle.

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Relais électromécanique

Un relais électromécanique contient une bobine électromagnétique (côté droit de l’image ci-dessus) qui déplace un bras métallique pour créer et briser une connexion électrique. Les relais électromécaniques peuvent être utilisés pour changer le courant élevé et aussi les périphériques CA. Ils fournissent une isolation électrique entre le signal de commande et la charge et sont relativement peu coûteux. Aucune connexion au sol commune entre le signal de commande et la charge n’est nécessaire. Une broche de sortie GPIO logique logique standard ne fournit pas suffisamment de courant pour conduire une bobine de relais directement. Lorsque vous utilisez des signaux logiques pour commander un relais, un circuit de commande doit être utilisé pour augmenter le courant nécessaire pour alimenter la bobine électromagnétique du relais. La charge est activée et désactivée en utilisant les contacts métalliques du relais qui se déplacent lorsque la bobine est sous tension. Comme les contacts métalliques touchent effectivement, Les relais auront moins de chute de tension sur le point de commutation que les circuits à transistor. Ils sont parfois utilisés pour allumer et éteindre les alimentations réglementées. Les relais ont tendance à être plus résistants aux défaillances causées par des surtensions élevées que les dispositifs semi-conducteurs.

Les relais électromécaniques ont des limites pour les concepteurs à considérer:  

  • Le nombre de cycles ON / OFF de durée de vie est limité par une usure mécanique (typiquement 10 6 à 10 7 cycles)
  • Ils ont des temps d’ON / OFF lents – environ 20 par minute. Trop lent pour le contrôle de la vitesse du moteur ou les lumières de gradation.
  • Les contacts de relais peuvent être usés en raison de l’arc sur les charges inductives (peut-être aussi peu que 10 5 cycles) même sur des charges nominales .
  • L’oxydation sur les contacts de relais peut poser problème sur les signaux analogiques basse tension. (Environ 2 volts est nécessaire pour pointer initialement à travers la couche d’oxydation qui se produit entre deux contacts métalliques quelconques)
  • Les relais usés se bloqueront parfois en raison de l’usure mécanique et un clic sonore est généralement entendu lors de la commutation.

Si un relais est utilisé pour commuter des charges CA à courant élevé, la durée de vie du relais peut être considérablement étendue en l’éteignant près d’un passage à zéro. Ceci nécessite un circuit de détection de passage à zéro pour la synchronisation à l’alimentation en courant alternatif ou un circuit de commande qui s’éteint toujours près de zéro comme un triac ou un SSR.

De nombreux relais et solénoïdes sont classés uniquement pour le “service intermittent”. Cela signifie qu’ils ne devraient être activés que pour de courtes périodes de temps et “off” pour la grande majorité du temps. Si elle est laissée “allumée” pendant de longues périodes, le fil de la bobine se surchauffe et il peut fondre à travers l’isolant mince sur les fils minuscules de la bobine et détruire l’appareil. Dans une application qui doit laisser un relais ou un solénoïde activé pour des périodes de temps longues ou indéterminées, il est nécessaire d’utiliser un périphérique qui est classé comme «service continu».

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Un petit relais de brassage simplifié de Sparkfun

La plupart des relais ne correspondent pas directement à une platine, mais il y en a quelques petits (.5A à 5A) qui s’adapteront à une platane telle que celle ci-dessus. Les câbles de jauge de panneaux ne peuvent pas gérer de très gros niveaux de courant en tout cas. Même ces petits relais auront encore besoin d’un circuit de conducteur et d’une diode, de sorte qu’une carte de relais peut être aussi facile à utiliser.

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Le tableau de relais Sparkfun avec le pilote

Sparkfun établit une carte de relais low cost illustrée ci-dessus qui contient à la fois le relais et le circuit de conducteur requis à l’aide d’un transistor discret. Les bobines de relais sur ce relais nécessitent environ 200MA à 5VDC. Il est plus facile de conduire des relais comme celui-ci qui utilisent une tension de bobine inférieure. Le circuit de pilotage du panneau de relais est construit à l’aide d’un BJT comme on le voit dans le schéma ci-dessous. Le relais peut basculer jusqu’à 220VAC à 20A à l’aide d’un signal logique pour le contrôle, mais la petite mise en page de la PCB et les bornes à vis le limitent probablement à des niveaux de tension et de courant inférieurs à au moins la moitié de ces valeurs nominales. Un panneau similaire est disponible chez Sparky’s Widgets . Il est probablement sage d’être très prudent sur les valeurs de tension et de courant maximales citées pour les relais dans les fiches techniques.

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Sparkfun Relay Board Schematic

La diode d’ amortissement vers l’arrière sur la bobine du relais absorbe la pointe inductive de la tension inverse qui se produit lors de l’éteinte de la bobine (c’est-à-dire V = Ldi / dt).

Toute broche de sortie numérique peut être utilisée pour commander le relais (se connecte à l’entrée du circuit de relais).

Câblage

Mbed PCB de relais Dispositif externe
Gnd JP2-1 gnd  
5V JP2-3 ou ext 5V pour RAW?  
P8 JP2-2 Relay Control  
  JP3-1 Load1
  JP3-2 Load2

Note de sécurité sur les tensions élevées

Une ligne de courant haute tension en court-circuit sur un circuit logique numérique sur une carte à puce peut faire sauter un système informatique entier ou provoquer une électrocution si elle est touchée. Pour plus de sécurité, gardez les fils pour tous les dispositifs haute tension et / ou haute tension bien éloignés de la platane et ne les touchez pas lorsque l’appareil est sous tension. Même un court-circuit instantané peut exploser. Un fusible en ligne et même un disjoncteur GFI n’est pas une mauvaise idée. Bien avant qu’un déclencheur de courant alternatif domestique standard ne se déplace, les pièces électroniques vont exploser avec un court. Assurez-vous que le côté inférieur de la PCB ne court sur aucune surface métallique. Les contacts de panneaux de bord et les petits fils de cavalier ne gèrent qu’un amp. Les cartes relais utilisent généralement des bornes à vis pour fixer les fils plus grands nécessaires à l’appareil externe. Le fait de conduire la bobine d’un grand relais nécessite la majeure partie du courant supplémentaire qui peut être fourni avec le câble USB, de sorte qu’une alimentation DC externe sera probablement nécessaire pour alimenter les bobines du relais et la charge de l’appareil externe. Pour l’isolement électrique, lors de l’utilisation d’un relais pour commander des périphériques CA externes ou des périphériques DC haute tension, ne connectez pas le terrain sur les alimentations du côté de commande au côté de la charge.

Voici un exemple de programme qui allume et éteint le relais toutes les 2 secondes.

 

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#include  "mbed.h"
 
DigitalOut myled (LED1);
DigitalOut Ctrl (p8);
 
Int  main () {
     while ( 1 ) {
        Ctrl =  1 ;
        Myled =  1 ;
        Attend ( 2 );
        Ctrl =  0 ;
        Myled =  0 ;
        Attend ( 2 );
    }
}
 

Une démonstration utilisant mbed avec cet exemple de code pour la carte de déploiement de relais Widget de Sparky est disponible à http://mbed.org/users/4180_1/notebook/relay-breakout-boards/ .

Pour plus de sécurité et surtout si vous ne possédez pas l’expérience antérieure de l’utilisation d’une AC à haute tension, l’un des périphériques scellés tels que le Power Switch Tail II ci-dessous serait une alternative plus sûre pour changer les petits appareils CA domestiques. Il dispose d’un module de commutation interne et les connexions haute tension sont toutes incluses dans le cas. Les prises de courant standard sont déjà connectées et des versions internationales du Power Switch Tail sont également disponibles. La version américaine est également disponible auprès de Sparkfun . Un exemple de code pour mbed est disponible sur http: // mbed.

Arduino condensateurs, relais et relais à semi-conducteurs
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Org / users / 4180_1 / notebook / powerswitch-tail-ii / Le Power Switch Tail II dispose d’un circuit interne et d’un circuit de relais avec les prises de courant standard pour le

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schéma US Power Switch Tail II

Dans le schéma ci-dessus, A1 est un VO2223 0.9A 600V isolé optiquement TRIAC (Phototriac) dans un boîtier DIP utilisé pour piloter le relais mécanique. Notez qu’il a également deux MOV inclus pour la suppression de surtension. En plus de la version de relais standard, un Power Switch Tail avec un relais à semi-conducteurs (SSR) est également disponible. Les SSR et les TRIAC seront expliqués dans une section ultérieure. En plus de la version de relais standard, un Power Switch Tail avec un relais à semi-conducteurs (SSR) est également disponible. Les SSR et les TRIAC seront expliqués dans une section ultérieure. En plus de la version de relais standard, un Power Switch Tail avec un relais à semi-conducteurs (SSR) est également disponible. Les SSR et les TRIAC seront expliqués dans une section ultérieure.

Le petit panneau de relais double Phidgets ci-dessous fonctionne de la même manière que le panneau Sparkfun, mais il dispose de deux relais.

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Phidgets Deux relais Les

relais doivent être sélectionnés en fonction du courant d’entrée et de sortie et de la tension nominale. Étant donné que les contacts peuvent s’user sur le côté de la sortie, conservez-vous les notes actuelles.

 

Reed Relays

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Un petit module de relais de roseaux dans un paquet DIP

Un relais à roseaux est un type de relais qui utilise un électro-aimant pour contrôler un ou plusieurs interrupteurs à anches . Les contacts sont en matériau magnétique et l’électroaimant agit directement sur eux sans nécessiter une armature pour les déplacer. Étanches dans un tube de verre long et étroit, les contacts sont protégés de la corrosion et sont généralement plaqués d’argent. Comme les pièces mobiles sont petites et légères, les relais à anches peuvent commuter beaucoup plus rapidement que les relais avec des armatures. Ils changent généralement de valeurs de courant inférieures à celles d’un grand relais. Ils sont mécaniquement simples, rendant un peu plus de fiabilité et plus de vie. Le courant de la bobine nécessaire est inférieur (peut-être 10MA à 5V) et, dans certains cas, un circuit de commande peut ne pas être nécessaire si la sortie logique numérique présente un courant de commande élevé. Certains relais à roseaux contiennent déjà une diode à amortisseurs. Si non, Une diode d’amortissement EMF externe devrait encore être une bonne idée. Beaucoup sont assez petits pour venir dans un paquet DIP qui peut se brancher dans une table de bord.

 

Relais à semi-conducteurs

Dans de nombreuses applications, des relais à semi- conducteurs peuvent être utilisés à la place des relais électromécaniques. Les relais à semi-conducteurs (SSR) offrent plusieurs avantages par rapport aux relais électromécaniques:

  • La plupart ont une isolation optique entre la charge d’entrée et de sortie
  • Pas de pièces mobiles – construites à l’aide de semi-conducteurs
  • Certains sont assez rapides pour le contrôle de la vitesse du moteur et les lumières de gradation
  • Résistant aux chocs et aux vibrations
  • Environ 100 fois plus fiables que les relais mécaniques
  • Fonctionnement silencieux
    Sparkfun Solid State Relay Board

Le schéma est illustré ci-dessous pour la carte Sparkfun Solid State Relay ci-dessus. Il utilise un module Sharp SSR et peut commuter 125VAC à 8A (AC uniquement – pas DC). Notez qu’il nécessite également un circuit de conducteur et que les connexions de fil externes sont identiques à celles du panneau de relais. Une démo pour mbed est disponible à http://mbed.org/users/4180_1/notebook/ssr-breakout-boards/

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Sparkfun Solid State Relay Board Schematic

Isolation optique

L’isolation optique ou mécanique (relais) entre les consommables de tension et les ordinateurs plus élevés est toujours une bonne idée. Ne pas avoir à se connecter entre les fournitures aide dans les environnements industriels bruyants. Les fils longs peuvent également prendre de grandes tensions transitoires. L’un des premiers projets de contrôle et d’instrument d’un aéroport s’est terminé brusquement lorsqu’un éclair provenant d’un orage a frappé près de la fin de la piste et que les fils de terre ont porté la tension de terre à l’avant de la tour de contrôle et ont fait exploser l’ordinateur . La plupart des SSR ont un opto-isolateur sur l’entrée. Comme on le voit ci-dessous, Sparkfun fabrique également une petite carte d’interruption opto-isolateur avec de petits transistors de commande sur la sortie pour isoler les signaux de sortie de l’ordinateur et les convertir en signaux de tension plus élevés. Il a un lecteur de courant limité, Mais il pourrait être ajouté au côté d’entrée d’un circuit de conducteur pour fournir une isolation optique. Les opto-isolateurs sont parfois également utilisés sur les entrées du capteur sur un ordinateur. Dans ce cas, le capteur entraîne le côté entrée et le côté sortie se connecte à l’ordinateur.

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Panneau d’évasion Opto-isolater Sparkfun

Comme on le voit ci-dessous, l’IC optocoupleur ILD2213T utilisé sur la carte Sparkfun contient deux paires couplées optiquement constituées d’une LED infrarouge à base d’arséniure de gallium et d’un phototransistor NPN au silicium . Les informations de signal, y compris un niveau DC, peuvent être transmises par la LED via IR (lumière infrarouge) au phototransistor tout en conservant 4000 V d’isolement électrique entre l’entrée et la sortie. Avant d’atteindre 4000V, d’autres pièces, comme les fils et les connecteurs, seront probablement les premières. Les opto-isolateurs ont tendance à être un peu lent à commuter par rapport à la vitesse des circuits logiques numériques. Cet appareil est dans la gamme des cinq microsecondes. Quelques SSR utilisent des relais de roseaux sur le signal d’entrée ou alimentent l’entrée par un convertisseur DC to AC avec un transformateur pour l’isolation électrique.

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ILD213T Dual Optocoupler IC

Autres modules SSR

Malheureusement, les modules de relais à semi-conducteurs coûtent généralement un peu plus que les relais mécaniques. De nombreux SSR incluent un circuit de passage à zéro qui allume ou éteint l’appareil uniquement lorsque le niveau de tension CA est nul (passage à zéro). Cela permet également de réduire les émissions de bruit RF générées par la commutation de charges à courant élevé. La carte Phidgets SSR ci-dessous peut basculer les tensions AC et DC. Il utilise un petit CI NEC / CEL SSR .

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Phidgets SSR board

Commutation AC

Certains relais à semi-conducteurs peuvent également générer des charges CA. Ceci est possible en utilisant un TRIAC comme dans le schéma de carte de relais Sparkfun Solid State ci-dessus avec le module Sharp SSR. Le symbole TRIAC ressemble à deux diodes connectées en sens inverse comme on le voit ci-dessous. L’entrée de commande de grille (G) nécessite seulement quelques milliamètres et la charge CA se connecte à A1 et A2. Dans le module Sharp SSR, la lumière infrarouge de la LED entraîne l’entrée de la porte TRIAC (offre une isolation optique). L’entrée de la porte TRIAC peut être soigneusement contrôlée dans le temps avec le signal CA pour allumer les lumières, contrôler la vitesse du moteur ou régler la puissance de sortie de la charge. Les variateurs de lumière domestique utilisent souvent les TRIAC.

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Un TRIAC peut commuter des charges CA

Deux MOSFET avec leurs broches sources connectées ensemble comme dans le module SSR Phidgets avec le NEC / CEL SSR IC entraîneront également les charges CA comme indiqué ci-dessous. L’entrée de grille est isolée optiquement et les broches de drain MOSFET se connectent à la charge CA. Cela fonctionne puisque tous les MOSFET possèdent une diode de substrat qui conduit toujours le courant dans le sens inverse (seul le sens du courant normal peut être commuté). Assurez-vous de vérifier la fiche technique de SSR, les SSR peuvent être uniquement AC (TRIAC) ou AC / DC (avoir deux MOSFET) ou DC uniquement (un MOSFET).

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SSR utilisant deux MOSFET pour commuter les charges CA avec isolement optique Cela fonctionne puisque tous les MOSFET possèdent une diode de substrat qui conduit toujours le courant dans le sens inverse (seul le sens du courant normal peut être commuté). Assurez-vous de vérifier la fiche technique de SSR, les SSR peuvent être uniquement AC (TRIAC) ou AC / DC (avoir deux MOSFET) ou DC uniquement (un MOSFET). SSR utilisant deux MOSFET pour commuter les charges CA avec isolement optique Cela fonctionne puisque tous les MOSFET possèdent une diode de substrat qui conduit toujours le courant dans le sens inverse (seul le sens du courant normal peut être commuté). Assurez-vous de vérifier la fiche technique de SSR, les SSR peuvent être uniquement AC (TRIAC) ou AC / DC (avoir deux MOSFET) ou DC uniquement (un MOSFET). SSR utilisant deux MOSFET pour commuter les charges CA avec isolement optique

Le module de tension SSR de puissance ci-dessous peut être utilisé pour allumer des lumières LED incandescentes ou dimmable.

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Le PowerSSR Tail comprend des prises CA et un SSR dans un boîtier fermé

Comme on le voit dans le schéma ci-dessous, il contient un relais à semi-conducteurs construit en utilisant un opto-isolateur avec des entrées logiques numériques, un TRIAC pour la commutation CA et un MOV pour la suppression des surtensions. Un module de queue de détection de passage à zéro et d’ état avec isolation est également disponible. Un exemple de code pour mbed est disponible sur http://developer.mbed.org/users/4180_1/notebook/powerssr-tail-and-zerocross-tail/

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Power SSR Tail Schematic

SSR de puissance supérieure

Opto 22 a développé les premiers SSR et fait une grande variété de modules DC et AC SSR, y compris le grand module ci-dessous qui basculera 480V AC à 45A avec une entrée de contrôle logique 3V DC. Ils sont fréquemment utilisés dans les systèmes d’automatisation industrielle. Des radiateurs peuvent également être nécessaires sur les SSR.

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Module Opto 22 480D45 SSR Les

IGBT commencent également à apparaître dans de nouvelles conceptions de SSR à courant moyen à élevé. Un large éventail de SSR est disponible.

Systèmes d’automatisation industrielle et PAC

Les contrôleurs d’automatisation programmables ( PAC ) pour les systèmes d’automatisation industrielle avec un grand nombre d’entrées et de sorties montent souvent un mélange personnalisé de relais, modules SSR AC / DC et modules d’entrée isolés AC / DC sur des panneaux spéciaux ou des systèmes de montage sur rail avec des bornes à vis . Certains SSR montent directement sur le rail. Plusieurs exemples sont présentés ci-dessous. Ils sont pratiques quand il existe un grand nombre d’E / S externes pour se brancher avec des fils plus grands. Un connecteur de câble ruban relie les signaux d’E / S numériques au microcontrôleur. Un tel emballage fonctionne bien et aide à garder le câblage sous contrôle et à être organisé. Si de nombreux périphériques externes doivent être connectés dans un prototype, plusieurs de ces systèmes peuvent être adaptés pour être utilisés avec de petits microcontrôleurs tels que mbed.
Système de montage sur rail DIN pour SSR et relais.

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Systèmes d’automatisation de la maison

Si vous avez seulement besoin de contrôler les appareils CA ménagers, plusieurs systèmes domotiques à faible coût sont disponibles avec de petits modules de connexion pour contrôler les appareils CA domestiques et les lumières de gradation. X10 est le premier système à faible coût, et il utilise la signalisation sur les lignes électriques pour contrôler chaque module. Les commutateurs de chaque module de contrôle X10 sont configurés par l’utilisateur pour sélectionner une adresse unique (0..255) pour chaque périphérique CA comme indiqué ci-dessous. Les signaux de commande de la ligne de puissance X10 sont sensibles à la distance et au bruit et ne passent pas d’une phase de puissance à l’autre, tout comme la prise en réseau domestique des périphériques. En plus d’une interface de ligne de puissance pour décoder les signaux de commande, un module contient un relais pour appareils, ou un triac à des lumières sombres. Un petit périphérique d’interface est disponible auprès de X10 pour envoyer les signaux de commande sur la ligne électrique à l’aide d’un microprocesseur. Une interface série RS232 plus facile à utiliser pour X10 peut encore être trouvée, mais elle n’est plus en production. Il existe deux projets mbed X10 déjà disponibles dans le livre de recettes mbed, des liens vers des moyens d’interface avec les signaux de ligne d’alimentation X10 et un code pour une interface sans fil au module sans fil X10 . Le module récepteur sans fil X10 envoie ensuite les signaux sur la ligne électrique pour commander les modules.

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Un bouchon dans le module d’appareil X10 peut basculer des dispositifs à courant alternatif domestique

Un autre système domotique est Z-onde . Il utilise des signaux RF pour contrôler la prise dans les modules AC. Insteon utilise à la fois des lignes électriques et des signaux RF dans un réseau maillé. L’un des contrôleurs de ces systèmes pourrait être interfacé avec mbed pour utiliser ces modules. Les bandes de sortie CA à commande Wi-Fi commencent également à apparaître comme celle ci-dessous. Ces systèmes fonctionnent bien dans les maisons, mais ils ne seraient probablement pas appropriés pour être utilisés dans des environnements industriels bruyants et sécuritaires.

 

L’ iRemoTap peut être commandé via WiFi.

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Le commutateur WeMo contient un relais IoT WiFi contrôlé. Une démonstration WeMo montre les pièces internes. L’ iRemoTap peut être commandé via WiFi. Le commutateur WeMo contient un relais IoT WiFi contrôlé. Une démonstration WeMo montre les pièces internes. L’ iRemoTap peut être commandé via WiFi. Le commutateur WeMo contient un relais IoT WiFi contrôlé. Une démonstration WeMo montre les pièces internes.

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