Proste h

Na początku prowadzenie silnika może wydawać się łatwym zadaniem - wystarczy podłączyć silnik do odpowiedniej szyny napięciowej, a zacznie się obracać. Ale to nie jest idealny sposób na napędzanie silnika, zwłaszcza gdy w obwodzie znajdują się inne komponenty. Tutaj będziemy omawiać jedną z najczęściej stosowanych i skuteczny sposób do kierowania silniki DC - obwód H-Bridge.

Jazda motorowa

Najpopularniejszym typem silnika, na jaki można natknąć się w kręgach hobbystów do zastosowań o małej mocy, jest silnik 3 V DC pokazany poniżej. Ten rodzaj silnika jest zoptymalizowany do pracy przy niskim napięciu z dwóch ogniw 1,5 V.

A jego uruchomienie jest tak proste, jak podłączenie go do dwóch ogniw - silnik uruchamia się natychmiast i działa tak długo, jak długo baterie są podłączone. Chociaż tego rodzaju konfiguracja jest dobra w zastosowaniach „statycznych”, takich jak miniaturowy wiatrak lub wentylator, w przypadku aplikacji „dynamicznych”, takich jak roboty, potrzebna jest większa precyzja - w postaci zmiennej prędkości i kontroli momentu obrotowego.

Oczywiste jest, że zmniejszenie napięcia na silniku zmniejsza prędkość, a rozładowany akumulator powoduje powolny silnik, ale jeśli silnik jest zasilany z szyny wspólnej dla więcej niż jednego urządzenia, potrzebny jest odpowiedni obwód napędowy.

Może to być nawet w postaci zmiennego regulatora liniowego, takiego jak LM317 - napięcie na silniku można zmieniać w celu zwiększenia lub zmniejszenia prędkości. Jeśli potrzeba więcej prądu, obwód ten można zbudować dyskretnie za pomocą kilku tranzystorów bipolarnych. Największą wadą tego rodzaju instalacji jest efektywność - tak jak w przypadku każdego innego obciążenia, tranzystor rozprasza wszelkie niechciane moc.

Rozwiązaniem tego problemu jest metoda zwana PWM lub modulacji szerokości impulsu. Tutaj silnik jest napędzany falą prostokątną o regulowanym współczynniku wypełnienia (stosunek czasu załączenia do okresu sygnału). Całkowita dostarczona moc jest proporcjonalna do cyklu pracy. Innymi słowy, silnik jest zasilany przez niewielki ułamek czasu - więc z biegiem czasu średnia moc silnika jest niska. Przy cyklu pracy 0% silnik jest wyłączony (brak przepływu prądu); przy cyklu pracy 50% silnik pracuje z połową mocy (połowa poboru prądu), a 100% reprezentuje pełną moc przy maksymalnym poborze prądu.

Jest to realizowane poprzez podłączenie strony wysokiego napięcia silnika i napędzanie go N-kanałowym tranzystorem MOSFET, który jest ponownie napędzany sygnałem PWM.

Ma to kilka interesujących implikacji - silnik 3 V może być napędzany przy użyciu zasilania 12 V przy niskim cyklu pracy, ponieważ silnik widzi tylko średnie napięcie. Dzięki starannemu projektowi eliminuje to potrzebę oddzielnego zasilania silnika.

A jeśli będziemy musieli zmienić kierunek obrotów silnika? Zwykle odbywa się to poprzez przełączanie zacisków silnika, ale można to zrobić elektrycznie.

Jedną z opcji mogłoby być użycie innego FET i ujemnego zasilania do zmiany kierunku. Wymaga to stałego uziemienia jednego zacisku silnika, a drugiego podłączenia do dodatniego lub ujemnego zasilania. Tutaj tranzystory MOSFET działają jak przełącznik SPDT.

Istnieje jednak bardziej eleganckie rozwiązanie.

Obwód sterownika silnika mostka H.

Obwód ten nazywany jest mostkiem H, ponieważ tranzystory MOSFET tworzą dwa pionowe pociągnięcia, a silnik tworzy poziomy skok alfabetu „H”. To proste i eleganckie rozwiązanie wszystkich problemów związanych z prowadzeniem pojazdu. Kierunek można łatwo zmienić, a prędkość może być kontrolowana.

W konfiguracji z mostkiem H tylko pary tranzystorów MOSFET przeciwległe po przekątnej są aktywowane w celu sterowania kierunkiem, jak pokazano na poniższym rysunku:

Podczas aktywacji jednej pary (po przekątnej) tranzystorów MOSFET, silnik widzi przepływ prądu w jednym kierunku, a gdy druga para jest aktywowana, prąd płynący przez silnik zmienia kierunek.

Tranzystory MOSFET można pozostawić włączone dla pełnej mocy lub sterowane PWM w celu regulacji mocy lub wyłączyć, aby silnik się zatrzymał. Aktywacja dolnego i górnego tranzystora MOSFET (ale nigdy razem) powoduje hamowanie silnika.

Innym sposobem implementacji mostka H jest użycie timerów 555, które omówiliśmy w poprzednim samouczku.

Wymagane składniki

Do mostka H.

• Silnik prądu stałego
• 2x N-kanałowe tranzystory MOSFET IRF3205 lub równoważne
• 2x tranzystory MOSFET z kanałem P IRF5210 lub równoważne
• Rezystory 2x 10K (pulldown)
• 2x kondensatory elektrolityczne 100uF (odsprzęgające)
• 2x kondensatory ceramiczne 100nF (odsprzęgające)

Do obwodu sterującego

• 1x 555 timer (dowolny wariant, najlepiej CMOS)
• 1x TC4427 lub dowolny odpowiedni sterownik bramy
• 2x 1N4148 lub dowolna inna dioda sygnałowa / ultraszybka
• 1x potencjometr 10 K (czas)
• 1x rezystor 1 K (taktowanie)
• Kondensator 4,7nF (taktowanie)
• Kondensator 4,7uF (odsprzęgający)
• Kondensator ceramiczny 100nF (odsprzęgający)
• Kondensator elektrolityczny 10uF (odsprzęgający)
• Przełącznik SPDT

Schemat prostego obwodu mostka H.

Skoro już mamy teorię na uboczu, czas ubrudzić sobie ręce i zbudować sterownik silnika z mostkiem H. Obwód ten ma wystarczającą moc do napędzania średniej wielkości silników do 20 A i 40 V przy odpowiedniej konstrukcji i radiatorze. Niektóre funkcje zostały uproszczone, na przykład użycie przełącznika SPDT do sterowania kierunkiem.

Ponadto tranzystory MOSFET z wysoką stroną mają kanał P dla uproszczenia. Przy odpowiednim obwodzie sterującym (z ładowaniem początkowym) można również zastosować N-kanałowe tranzystory MOSFET.

Pełny schemat obwodu tego mostka H z tranzystorami MOSFET jest podany poniżej:

Wyjaśnienie robocze

1. Zegar 555

Timer to prosty obwód 555, który generuje cykl pracy od około 10% do 90%. Częstotliwość jest ustawiana przez R1, R2 i C2. Wysokie częstotliwości są preferowane, aby zmniejszyć słyszalne zawodzenie, ale oznacza to również, że potrzebny jest mocniejszy sterownik bramki. Cykl pracy jest kontrolowany potencjometrem R2. Dowiedz się więcej o używaniu timera 555 w trybie astabilnym tutaj.

Ten obwód można zastąpić dowolnym innym źródłem PWM, takim jak Arduino.

2. Sterownik bramy

Sterownik bramki to standardowy dwukanałowy TC4427, z wyjściem / źródłem 1,5 A na kanał. Tutaj oba kanały zostały połączone równolegle w celu zwiększenia prądu sterującego. Ponownie, jeśli częstotliwość jest wyższa, sterownik bramki musi być mocniejszy.

Przełącznik SPDT służy do wyboru nogi mostka H, ​​która steruje kierunkiem.

3. Mostek H.

To jest działająca część obwodu sterującego silnikiem. Bramki MOSFET są zwykle obciążane niskim napięciem przez rezystor opuszczający. Powoduje to włączenie obu tranzystorów MOSFET kanału P, ale nie stanowi to problemu, ponieważ żaden prąd nie może płynąć. Gdy sygnał PWM jest przyłożony do bramek jednej nogi, tranzystory MOSFET z kanałem N i P są naprzemiennie włączane i wyłączane, kontrolując moc.

Wskazówki dotyczące budowy obwodu mostka H.

Największą zaletą tego obwodu jest to, że można go skalować, aby napędzać silniki dowolnej wielkości, a nie tylko silniki - wszystko inne, co wymaga dwukierunkowego sygnału prądowego, na przykład falowniki sinusoidalne.

Podczas używania tego obwodu nawet przy niskich mocach, właściwe zlokalizowane odsprzęganie jest koniecznością, chyba że chcesz, aby twój obwód był wadliwy.

Ponadto, jeśli konstruujesz ten obwód na bardziej trwałej platformie, takiej jak PCB, zalecana jest duża płaszczyzna uziemienia, utrzymująca części o niskim natężeniu z dala od ścieżek wysokoprądowych.

Tak więc ten prosty obwód mostka H jest rozwiązaniem wielu problemów związanych z prowadzeniem silnika, takich jak dwukierunkowy, zarządzanie energią i wydajność.