¿Cómo puedo usar una entrada de 12 V en un pin Arduino digital?

¡Buenas noticias! ¡Esto va a ser barato! :-)

Un divisor de resistencia simple reducirá los 12 V a los 5 V que un Arduino puede digerir. El voltaje de salida se puede calcular como

$V_{OUT} = \dfrac{R2}{R1+R2} V_{IN}$

Los valores de resistencia en el rango de 10 kΩ son una buena opción. Si su R2 es de 10 kΩ, entonces R1 debería ser de 14 kΩ. Ahora 14 kΩ no es un valor estándar, pero 15 kΩ sí lo es. Su voltaje de entrada será de 4,8 V en lugar de 5 V, pero el Arduino lo verá como un nivel alto. También tiene un poco de margen en caso de que los 12 V sean demasiado altos. Incluso 18 kΩ aún le darán 4,3 V lo suficientemente altos, pero luego debe comenzar a pensar en los 12 V un poco demasiado bajos. ¿Se seguirá viendo el voltaje tan alto? Yo me quedaría con los 15 kΩ.

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Menciona un entorno automotriz, y luego necesita protección adicional. Los 12 V del automóvil nunca son exactamente 12 V, pero la mayoría de las veces son más altos, con picos varios voltios por encima de los 12 V nominales. (En realidad, el nominal es más como 12,9 V, a 2,15 V por celda). Puede colocar un zener de 5 V diodo en paralelo con R2, y esto debería cortar cualquier voltaje superior a los 5 V del zener. Pero un voltaje zener varía con la corriente, y con la corriente de entrada baja que le dan las resistencias, se cortará con voltajes más bajos. Una mejor solución sería tener un diodo Schottky entre la entrada de Arduino y el suministro de 5 V. Luego, cualquier voltaje de entrada superior a aproximadamente 5,2 V hará que el diodo Schottky conduzca, y el voltaje de entrada se limitará a 5,2 V. Realmente necesita un diodo Schottky para esto, un diodo PN común tiene un 0.

El optoacoplador de Better
Michael es una buena alternativa, aunque un poco más caro. A menudo usará un optoacoplador para aislar la entrada de la salida, pero también puede usarlo para proteger una entrada como lo desea aquí.

Cómo funciona: la corriente de entrada enciende el LED infrarrojo interno, lo que provoca una corriente de salida a través del fototransistor. La relación entre la corriente de entrada y la de salida se denomina CTR , por Current Transfer Ratio. El CNY17 tiene un CTR mínimo del 40 %, lo que significa que necesita una entrada de 10 mA para una salida de 4 mA. Vamos por la entrada de 10 mA. Entonces R1 debería ser (12 V - 1,5 V) / 10 mA = 1 kΩ. La resistencia de salida tendrá que causar una caída de 5 V a 4 mA, entonces eso debería ser 5 V / 4 mA = 1250 Ω. Es mejor tener un valor un poco más alto, el voltaje no caerá más de 5 V de todos modos. Un 4,7 kΩ limitará la corriente a aproximadamente 1 mA.

Vcc es el suministro de 5 V de Arduino, Vout va a la entrada de Arduino. Tenga en cuenta que la entrada se invertirá: será baja si hay 12 V, alta cuando no lo esté. Si no quiere eso, puede cambiar la posición de la salida del optoacoplador y la resistencia pull-up.

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¿Cómo la solución del optoacoplador no resuelve el problema de la sobretensión? El divisor de resistencia es radiométrico: el voltaje de salida es una proporción fija de la entrada. Si ha calculado 5 V de salida a 12 V de entrada, entonces 24 V de entrada darán 10 V de salida. No está bien, de ahí el diodo de protección.

En el circuito del optoacoplador, puede ver que el lado derecho, que se conecta al pin de entrada de Arduino, no tiene ningún voltaje superior a 5 V. Si el optoacoplador está encendido, el transistor consumirá corriente, usé 4 mA en el ejemplo anterior. Una tensión de 1,2 kΩ provocará una caída de tensión de 4,8 V, debido a la Ley de Ohm (corriente por resistencia = tensión). Entonces el voltaje de salida será de 5 V (Vcc) - 4,8 V a través de la resistencia = 0,2 V, ese es un nivel bajo. Si la corriente fuera menor, la caída de voltaje también sería menor y el voltaje de salida aumentaría. Una corriente de 1 mA, por ejemplo, provocará una caída de 1,2 V y la salida será de 5 V - 1,2 V = 3,8 V. La corriente mínima es cero. Entonces no tienes un voltaje a través de la resistencia, y la salida será de 5 V. Ese es el máximo, hay

¿Qué pasa si el voltaje de entrada llega a ser demasiado alto? Accidentalmente conecta una batería de 24 V en lugar de 12 V. Luego, la corriente del LED se duplicará, de 10 mA a 20 mA. El CTR del 40 % generará una corriente de salida de 8 mA en lugar de los 4 mA calculados. 8 mA a través de la resistencia de 1,2 kΩ sería una caída de 9,6 V. Pero con un suministro de 5 V eso sería negativo, y eso es imposible; aquí no puedes ir por debajo de 0 V. Entonces, aunque al optoacoplador le gustaría consumir 8 mA, la resistencia lo limitará. La corriente máxima a través de él es cuando los 5 V completos están a través de él. La salida será realmente 0 V y la corriente 5 V / 1,2 kΩ = 4,2 mA. Entonces, sea cual sea la fuente de alimentación que conecte, la corriente de salida no aumentará más que eso, y el voltaje se mantendrá entre 0 V y 5 V. No se necesita más protección.

Si espera sobrevoltaje, deberá verificar si el LED del optoacoplador puede manejar el aumento de corriente, pero los 20 mA no serán un problema para la mayoría de los optoacopladores (a menudo tienen una clasificación de 50 mA como máximo), y además, eso es para doble voltaje de entrada, lo que probablemente no sucederá IRL.

Una buena manera de aislar la señal del interruptor de 12 V sería pasarla a través de un optoacoplador. El circuito se configuraría de forma similar a la siguiente.

Vi en el diagrama representa los 12V en su circuito que es conmutado por su interruptor (S1). Seleccione R1 para limitar la corriente a través de la parte D1 del optoacoplador a un nivel que esté dentro de los valores nominales del componente que seleccione.

Los optoacopladores no son los componentes más rápidos del mundo, especialmente los más baratos, pero en el caso de una acción lenta como un interruptor controlado por humanos, la velocidad del acoplador es de poca importancia.

Para la independencia del voltaje, use una resistencia para regular la corriente y un Zener para regular el voltaje, así:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Con una resistencia de 30k, generará 4.99V y usará solo alrededor de 234uA @ 12Vin.
En este caso:
R1 consume 234uA x (12V - 4.99V) = 1.64mW
D1 consume 234uA x 4.99V = 1.17mW

Consumo total de energía: 2,81 mW (cuando la entrada es alta)

También puede usar un diodo y una resistencia, de la siguiente manera:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Haría que la resistencia fuera algo bastante rígida, de lo contrario, consumirá mucha energía de este circuito. La belleza de este circuito (en comparación con el divisor de voltaje) es que no le importa si su voltaje original es de 12 V, 14 V o 15 V: será de 5 V (en realidad 5.2-5.3 V dependiendo del diodo) independientemente de el voltaje de entrada

Un poco tarde pero en mi carro uso el LM7805. Funciona muy bien y es barato.