Простий h

З самого початку керування двигуном може здатися простим завданням - просто підключіть двигун до відповідної напруги, і він почне обертатися. Але це не ідеальний спосіб керувати двигуном, особливо коли в ланцюзі задіяні інші компоненти. Тут ми обговоримо один із найбільш часто використовуваних та ефективних способів керування двигунами постійного струму - схему H-Bridge.

Моторне водіння

Найпоширеніший тип двигуна, який ви можете зустріти в колах любителів для застосування з низькою потужністю, - це двигун постійного струму 3 В, показаний нижче. Цей тип двигуна оптимізований для роботи з низькою напругою від двох комірок 1,5 В.

А запустити його так само просто, як підключити його до двох комірок - двигун миттєво спрацьовує і працює до тих пір, поки акумулятори підключені. Хоча такий тип налаштування гарний для `` статичних '' додатків, таких як мініатюрний вітряк або вентилятор, коли йдеться про `` динамічний '' додаток, наприклад, роботи, потрібна більша точність - у формі регулювання швидкості та крутного моменту.

Очевидно, що зменшення напруги на двигуні зменшує швидкість, а розряджена батарея призводить до повільного двигуна, але якщо двигун живиться від загальної рейки для більш ніж одного пристрою, необхідна правильна схема приводу.

Це може бути навіть у вигляді змінного лінійного регулятора, як LM317 - напруга на двигуні може змінюватися для збільшення або зменшення швидкості. Якщо потрібно більше струму, цю схему можна побудувати непомітно за допомогою декількох біполярних транзисторів. Самий великий недолік такого роду установки є ефективність - так само, як з будь-якої іншої навантаження, транзистор розсіює всю небажану енергію.

Вирішення цієї проблеми є метод, званий ШІМ або широтно - імпульсної модуляції. Тут двигун приводиться в дію квадратною хвилею з регульованим робочим циклом (відношення часу до періоду сигналу). Загальна подана потужність пропорційна робочому циклу. Іншими словами, двигун живиться протягом невеликої частки періоду часу - тому з часом середня потужність двигуна є низькою. При робочому циклі 0% двигун вимкнений (струм не протікає); при робочому циклі 50% двигун працює з половиною потужності (половина струму) і 100% представляє повну потужність при максимальній потужності струму.

Це реалізується шляхом підключення високої сторони двигуна та приведення його в дію за допомогою N-канального MOSFET-сигналу, який знову приводиться в дію ШІМ-сигналом.

Це має кілька цікавих наслідків - двигун 3В можна приводити в дію за допомогою джерела живлення 12В, використовуючи низький робочий цикл, оскільки двигун бачить лише середню напругу. При ретельній конструкції це позбавляє від необхідності окремого живлення двигуна.

Що робити, якщо нам потрібно змінити напрямок руху двигуна? Зазвичай це робиться шляхом перемикання клем двигуна, але це можна зробити електрично.

Одним із варіантів може бути використання іншого транзистору транзитного транзиту та негативного живлення для перемикання напрямків. Для цього потрібно, щоб одна клема двигуна була постійно заземлена, а інша підключена до позитивного або негативного живлення. Тут MOSFET діють як перемикач SPDT.

Однак існує більш елегантне рішення.

Схема драйвера двигуна H-Bridge

Ця схема називається Н-містком, оскільки МОП-транзистори утворюють два вертикальних ходи, а двигун утворює горизонтальний хід алфавіту "Н". Це просте та елегантне рішення всіх проблем з керуванням двигуном. Напрямок може бути легко змінений, і швидкість можна регулювати.

У конфігурації H-мосту для управління напрямком активуються лише діагонально протилежні пари MOSFET-транзисторів, як показано на малюнку нижче:

При активації однієї пари (по діагоналі протилежних) МОП-транзисторів двигун бачить потік струму в одному напрямку, а коли інша пара активована, струм через двигун змінює напрямок.

МОП-транзистори можна залишити включеними на повну потужність або ШІМ-регулювати для регулювання потужності або вимкнути, щоб зупинити роботу двигуна. Активуючи як нижній, так і верхній МОП-транзистори (але ніколи не разом), гальмує двигун.

Інший спосіб реалізації H-Bridge - використання 555 таймерів, про які ми вже говорили в попередньому уроці.

Потрібні компоненти

Для H-Bridge

• Двигун постійного струму
• 2x N-канальні MOSFET-транзистори IRF3205 або еквівалентні
• 2x P-канальних MOSFET-транзисторів IRF5210 або еквівалент
• 2x 10K резистори (випадаючі)
• 2x електролітичні конденсатори 100 мкФ (роз'єднання)
• 2x керамічні конденсатори 100 нФ (роз'єднання)

Для схеми управління

• 1x 555 таймера (будь-який варіант, бажано CMOS)
• 1x TC4427 або будь-який відповідний драйвер воріт
• 2x 1N4148 або будь-який інший сигнал / надшвидкий діод
• 1x потенціометр 10K (синхронізація)
• 1x резистор 1K (синхронізація)
• 4.7nF конденсатор (синхронізація)
• Конденсатор 4,7 мкФ (роз'єднання)
• Керамічний конденсатор 100 нФ (роз'єднання)
• Електролітичний конденсатор 10 мкФ (роз'єднання)
• Перемикач SPDT

Схеми для простої схеми H-Bridge

Тепер, коли ми вилучили теорію, настав час забруднити руки та побудувати водія двигуна H-мосту. Ця схема має достатню потужність для керування двигунами середнього розміру до 20А та 40В за належної конструкції та тепловідводу. Деякі функції були спрощені, наприклад використання перемикача SPDT для управління напрямком.

Крім того, МОП-транзистори високого рівня є P-каналами для простоти. З відповідною схемою водіння (із завантажувальним з’єднанням) можна також використовувати N-канальні MOSFET-транзистори.

Повна електрична схема цього H-мосту з використанням MOSFET-транзисторів наведена нижче:

Робоче пояснення

1. Таймер 555

Таймер - це проста схема 555, яка генерує робочий цикл приблизно від 10% до 90%. Частота встановлюється за допомогою R1, R2 та C2. Високим частотам віддають перевагу для зменшення чутного ниття, але це також означає, що потрібен більш потужний драйвер воріт. Робочий цикл контролюється потенціометром R2. Дізнайтеся більше про використання таймера 555 у нестабільному режимі тут.

Ця схема може бути замінена будь-яким іншим джерелом ШІМ, таким як Arduino.

2. Драйвер воріт

Драйвер шлюзу - це стандартний двоканальний TC4427, з поглиначем / джерелом 1,5 А на канал. Тут обидва канали були паралельні для збільшення рушійного струму. Знову ж таки, якщо частота вище, драйвер воріт повинен бути потужнішим.

Перемикач SPDT використовується для вибору катета H-мосту, який контролює напрямок.

3. Н-міст

Це робоча частина схеми, яка управляє двигуном. Засоби MOSFET зазвичай тягнуться низько за допомогою випадаючого резистора. Це призводить до включення обох транзисторів транзисторів транзисторів P-каналу, але це не проблема, оскільки струм не може протікати. Коли ШІМ-сигнал подається до воріт однієї ніжки, МОП-транзистори N і P-каналів по черзі включаються і вимикаються, контролюючи потужність.

Поради щодо побудови схеми H-мосту

Найбільша перевага цієї схеми полягає в тому, що її можна масштабувати, щоб приводити в рух двигуни будь-якого розміру, і не тільки двигуни - все інше, що потребує двонаправленого сигналу струму, як інвертори синусоїди.

Використовуючи цю схему навіть на малих потужностях, необхідна належна локалізована розв’язка, якщо ви не хочете, щоб ваша схема була нестійкою.

Крім того, при побудові цієї схеми на більш постійній платформі, такій як друкована плата, рекомендується велика площина заземлення, не допускаючи частин слабкого струму від сильних струмів.

Тож ця проста схема H-Bridge є рішенням для багатьох проблем з керуванням двигуном, таких як двоспрямоване управління, керування живленням та ефективність.