Просто h

В самото начало шофирането на мотор може да изглежда лесна задача - просто закачете двигателя към подходящата релса за напрежение и той ще започне да се върти. Но това не е идеалният начин за задвижване на мотор, особено когато има други компоненти, участващи във веригата. Тук ще обсъдим един от най-често използваните и ефективни начини за задвижване на постояннотокови двигатели - верига H-Bridge.

Моторно шофиране

Най-често срещаният тип двигател, който може да срещнете в кръговете на любителите за приложения с ниска мощност, е двигателят с постоянен ток 3V, показан по-долу. Този вид двигател е оптимизиран за работа с ниско напрежение от две 1,5V клетки.

И пускането му е толкова просто, колкото свързването му с две клетки - двигателят се запалва мигновено и работи, докато батериите са свързани. Докато този вид настройка е добра за „статични“ приложения като миниатюрна вятърна мелница или вентилатор, когато става въпрос за „динамично“ приложение като роботи, е необходима повече прецизност - под формата на променлива скорост и контрол на въртящия момент.

Очевидно е, че намаляването на напрежението в двигателя намалява скоростта и изтощената батерия води до бавен двигател, но ако двигателят се захранва от релса, обща за повече от едно устройство, е необходима подходяща верига за задвижване.

Това дори може да бъде под формата на променлив линеен регулатор като LM317 - напрежението в двигателя може да варира, за да се увеличи или намали скоростта. Ако е необходим повече ток, тази схема може да бъде изградена дискретно с няколко биполярни транзистора. Най -големият недостатък при този вид настройка е ефективността - точно както при всеки друг товар, транзисторът разсейва цялата нежелана мощност.

В решението на този проблем е метод, наречен PWM или импулсния. Тук двигателят се задвижва от квадратна вълна с регулируем работен цикъл (съотношението на времето към периода на сигнала). Общата доставена мощност е пропорционална на работния цикъл. С други думи, двигателят се захранва за малка част от периода от време - така че с течение на времето средната мощност на двигателя е ниска. При 0% работен цикъл двигателят е изключен (не протича ток); с работен цикъл от 50% двигателят работи с половин мощност (половината от тока) и 100% представлява пълна мощност при максимален ток.

Това се осъществява чрез свързване на високата страна на двигателя и задвижването му с N-канален MOSFET, който се задвижва отново от ШИМ сигнал.

Това има някои интересни последици - 3V мотор може да се задвижва с 12V захранване, използвайки нисък работен цикъл, тъй като двигателят вижда само средното напрежение. При внимателен дизайн това елиминира необходимостта от отделно захранване на двигателя.

Ами ако трябва да обърнем посоката на двигателя? Това обикновено се прави чрез превключване на клемите на двигателя, но това може да се направи и електрически.

Единият вариант може да бъде използването на друг БНТ и отрицателно захранване за превключване на посоките. Това изисква единият извод на двигателя да бъде постоянно заземен, а другият свързан към положителното или отрицателното захранване. Тук MOSFET действат като SPDT ключ.

Съществува обаче по-елегантно решение.

Веригата на мотора H-Bridge

Тази верига се нарича H-мост, тъй като MOSFET-овете образуват двата вертикални хода, а двигателят образува хоризонталния ход на азбуката 'H'. Това е простото и елегантно решение за всички проблеми с моторното шофиране. В посока може да се променя лесно и скоростта може да се контролира.

В конфигурация на H-мост се активират само диагонално противоположните двойки MOSFET, за да контролират посоката, както е показано на фигурата по-долу:

Когато активира една двойка (диагонално противоположни) MOSFET, двигателят вижда ток в една посока и когато другата двойка е активирана, токът през двигателя обръща посоката.

MOSFET-овете могат да бъдат оставени включени за пълна мощност или PWM-ed за регулиране на мощността или изключени, за да оставят двигателя да спре. Активирането на MOSFET отдолу и отгоре (но никога заедно) спира двигателя.

Друг начин за внедряване на H-Bridge е използването на 555 таймери, които обсъдихме в предишния урок.

Необходими компоненти

За H-Bridge

DC мотор
2x IRF3205 N-канални MOSFET или еквивалентни
2x IRF5210 P-канални MOSFET или еквивалентни
2x 10K резистори (изтегляне)
2x 100uF електролитни кондензатори (отделяне)
2x керамични кондензатори 100nF (отделяне)

За управляващата верига

1x 555 таймер (всеки вариант, за предпочитане CMOS)
1x TC4427 или подходящ драйвер за порта
2x 1N4148 или друг сигнал / ултра бърз диод
1x 10K потенциометър (синхронизация)
1x 1K резистор (синхронизация)
4.7nF кондензатор (синхронизация)
4.7uF кондензатор (отделяне)
100nF керамичен кондензатор (отделяне)
10uF електролитен кондензатор (отделяне)
Превключвател SPDT

Схеми за проста верига H-Bridge

Сега, след като отстранихме теорията, е време да си замърсим ръцете и да изградим двигател с мост H-мост. Тази схема има достатъчно мощност за задвижване на средно големи двигатели до 20A и 40V с правилна конструкция и радиатор. Някои функции са опростени, като използването на SPDT превключвател за управление на посоката.

Също така, високопространствените MOSFET-та са P-канал за простота. Със съответната схема на задвижване (с зареждане), могат да се използват и N-канални MOSFET.

Пълната схема на веригата за този H-мост, използващ MOSFET, е дадена по-долу:

Работно обяснение

1. Таймерът 555

Таймерът е проста схема 555, която генерира работен цикъл от около 10% до 90%. Честотата се задава от R1, R2 и C2. Предпочитат се високите честоти, за да се намали звуковото хленчене, но това също означава, че е необходим по-мощен драйвер за порта. Работният цикъл се контролира от потенциометър R2. Научете повече за използването на 555 таймер в нестабилен режим тук.

Тази схема може да бъде заменена от всеки друг ШИМ източник като Arduino.

2. Шофьор на порта

Драйверът на порта е стандартен двуканален TC4427, с 1,5A мивка / източник на канал. Тук и двата канала са успоредни за по-голям задвижващ ток. Отново, ако честотата е по-висока, драйверът на портата трябва да бъде по-мощен.

Превключвателят SPDT се използва за избор на крака на H-моста, който контролира посоката.

3. Н-мост

Това е работната част на веригата, която управлява двигателя. Портовете на MOSFET обикновено се изтеглят ниско от падащия резистор. Това води до включване и на P-каналните MOSFET, но това не е проблем, тъй като не може да протича ток. Когато PWM сигналът се приложи към портите на единия крак, N и P-каналните MOSFET се включват и изключват последователно, контролирайки мощността.

Съвети за изграждане на вериги H-Bridge

Най-голямото предимство на тази схема е, че тя може да се мащабира, за да задвижва двигатели с всякакви размери, а не само двигатели - всичко друго, което се нуждае от двупосочен токов сигнал, като синусоидални инвертори.

Когато използвате тази схема дори при ниска мощност, правилното локализирано разединяване е задължително, освен ако не искате вашата схема да е бъгава.

Също така, ако се изгражда тази схема на по-постоянна платформа като печатни платки, се препоръчва голяма земна равнина, която държи частите с нисък ток далеч от пътищата с висок ток.

Така че тази проста схема на H-Bridge е решението за много проблеми с управлението на двигателя, като двупосочно управление, управление на мощността и ефективност.