Jednoduché h

Hneď na úvod sa môže motor javiť ako ľahká úloha - stačí ho zavesiť na príslušnú napäťovú koľajnicu a začne sa otáčať. Toto však nie je dokonalý spôsob riadenia motora, najmä ak sú v obvode zapojené ďalšie súčasti. Tu si povieme jeden z najbežnejšie používaných a najefektívnejších spôsobov riadenia jednosmerných motorov - obvod H-Bridge.

Riadenie motorových vozidiel

Najbežnejším typom motora, s ktorým sa môžete v amatérskych kruhoch stretnúť pre aplikácie s nízkym výkonom, je 3V jednosmerný motor uvedený nižšie. Tento druh motora je optimalizovaný pre nízkonapäťovú prevádzku z dvoch článkov 1,5 V.

A prevádzka je taká jednoduchá ako pripojenie k dvom bunkám - motor sa okamžite zapáli a beží, pokiaľ sú pripojené batérie. Aj keď je tento druh nastavenia vhodný pre „statické“ aplikácie, ako sú miniatúrne veterné mlyny alebo ventilátory, pokiaľ ide o „dynamické“ aplikácie, ako sú roboty, je potrebná väčšia presnosť - v podobe regulovania otáčok a krútiaceho momentu.

Je zrejmé, že zníženie napätia na motore znižuje rýchlosť a vybitá batéria vedie k pomalému motoru, ale ak je motor napájaný z koľajnice, ktorá je spoločná pre viac ako jedno zariadenie, je potrebný správny riadiaci obvod.

Môže to byť dokonca vo forme variabilného lineárneho regulátora, ako je LM317 - napätie na motore sa môže meniť tak, aby sa zvýšila alebo znížila rýchlosť. Ak je potrebný väčší prúd, je možné tento obvod vytvoriť diskrétne pomocou niekoľkých bipolárnych tranzistorov. Najväčšou nevýhodou tohto druhu inštalácie je účinnosť - rovnako ako s akýmkoľvek iným zaťažením, tranzistor odvádza všetku nechcenú silu.

Riešením tohto problému je spôsob nazvaný PWM alebo pulzná šírková modulácia. Tu je motor poháňaný štvorcovou vlnou s nastaviteľným pracovným cyklom (pomer doby zapnutia k dobe signálu). Celkový dodaný výkon je úmerný pracovnému cyklu. Inými slovami, motor je napájaný malú časť časového obdobia - takže v priebehu času je priemerný výkon motora nízky. Pri pracovnom cykle 0% je motor vypnutý (nepreteká žiadny prúd); s pracovným cyklom 50% motor beží na polovičný výkon (polovica odberu prúdu) a 100% predstavuje plný výkon pri maximálnom odbere prúdu.

To sa realizuje pripojením vysokej strany motora a jeho riadením s N-kanálovým MOSFET, ktorý je opäť poháňaný signálom PWM.

To má niekoľko zaujímavých dôsledkov - 3V motor je možné poháňať pomocou zdroja 12V s nízkym pracovným cyklom, pretože motor vidí iba priemerné napätie. Vďaka starostlivej konštrukcii to eliminuje potrebu samostatného napájania motora.

Čo ak potrebujeme obrátiť smer motora? To sa zvyčajne vykonáva prepnutím svoriek motora, ale je to možné vykonať elektricky.

Jednou z možností by mohlo byť použitie iného FET a záporného napájania na zmenu smeru. To vyžaduje, aby jedna svorka motora bola trvale uzemnená a druhá pripojená buď k kladnému alebo zápornému napájaniu. MOSFETy tu fungujú ako prepínač SPDT.

Existuje však elegantnejšie riešenie.

Obvod vodiča motora H-Bridge

Tento obvod sa nazýva H-mostík, pretože MOSFETy tvoria dva vertikálne ťahy a motor tvorí horizontálny ťah abecedy „H“. Je to jednoduché a elegantné riešenie všetkých problémov s riadením motora. Smer možno ľahko zmeniť a rýchlosť môže byť riadená.

V konfigurácii H-mosta sú na riadenie smeru aktivované iba diagonálne protiľahlé páry MOSFET, ako je to znázornené na nasledujúcom obrázku:

Pri aktivácii jedného páru (diagonálne protiľahlých) MOSFETov motor vidí tok prúdu v jednom smere a keď je aktivovaný druhý pár, prúd cez motor obráti smer.

MOSFETy môžu byť ponechané zapnuté pre plný výkon alebo PWM-ed pre reguláciu výkonu alebo vypnuté, aby sa motor zastavil. Aktivácia dolného aj horného MOSFETu (ale nikdy nie spolu) brzdí motor.

Ďalším spôsobom implementácie H-Bridge je použitie časovačov 555, o ktorých sme hovorili v predchádzajúcom tutoriále.

Súčasti sú povinné

Za H-most

• Jednosmerný motor
• 2x IRF3205 N-kanálový MOSFET alebo ekvivalentný
• 2x IRF5210 P-kanálové MOSFETy alebo ekvivalentné
• 2x 10K rezistor (rozťahovací)
• 2x 100uF elektrolytické kondenzátory (odpojenie)
• 2x keramické kondenzátory 100 nF (oddelenie)

Pre riadiaci obvod

• 1x časovač 555 (akýkoľvek variant, najlepšie CMOS)
• 1x TC4427 alebo akýkoľvek iný vhodný ovládač brány
• 2x 1N4148 alebo akákoľvek iná signálna / ultrarýchla dióda
• 1x 10K potenciometer (časovanie)
• 1x 1K rezistor (časovanie)
• 4,7nF kondenzátor (časovanie)
• Kondenzátor 4,7uF (oddelenie)
• 100nF keramický kondenzátor (oddelenie)
• 10uF elektrolytický kondenzátor (oddelenie)
• Prepínač SPDT

Schémy jednoduchého obvodu H-Bridge

Teraz, keď už máme teóriu z cesty, je čas zašpiniť si ruky a postaviť vodič motora H-bridge. Tento obvod má dostatok energie na pohon stredne veľkých motorov do 20 A a 40 V so správnou konštrukciou a chladičom. Zjednodušili sa niektoré funkcie, napríklad použitie prepínača SPDT na riadenie smeru.

Tiež vysoká bočná MOSFETy sú P-kanál pre jednoduchosť. S príslušným budiacim obvodom (s bootstrappingom) by sa mohli použiť aj N-kanálové MOSFETy.

Kompletná schéma zapojenia pre tento H-most pomocou MOSFET je uvedená nižšie:

Pracovné vysvetlenie

1. Časovač 555

Časovač je jednoduchý obvod 555, ktorý generuje pracovný cyklus od približne 10% do 90%. Frekvencia je nastavená pomocou R1, R2 a C2. Na zníženie počuteľného kňučania sa uprednostňujú vysoké frekvencie, čo však tiež znamená, že je potrebný výkonnejší ovládač brány. Pracovný cyklus je riadený potenciometrom R2. Viac informácií o používaní časovača 555 v nestabilnom režime sa dozviete tu.

Tento obvod môže byť nahradený akýmkoľvek iným zdrojom PWM, ako je Arduino.

2. Ovládač brány

Ovládač brány je štandardný dvojkanálový TC4427 s 1,5 A umývadlom / zdrojom na kanál. Tu sú obidva kanály paralelne usporiadané pre väčší prúd. Opäť platí, že ak je frekvencia vyššia, musí byť ovládač brány výkonnejší.

Prepínač SPDT sa používa na voľbu ramena H-mostíka, ktorý ovláda smer.

3. H-most

Toto je pracovná časť obvodu, ktorý riadi motor. Brány MOSFET sú zvyčajne vysunuté nízko pomocou vysúvacieho odporu. To má za následok zapnutie obidvoch MOSFETov kanála P, ale to nie je problém, pretože nemôže tiecť žiadny prúd. Keď sa signál PWM aplikuje na brány jednej nohy, MOSFET s kanálom N a P sa striedavo zapínajú a vypínajú, čím sa reguluje výkon.

Tipy na konštrukciu okruhu H-Bridge

Najväčšou výhodou tohto obvodu je, že je možné ho škálovať tak, aby poháňal motory všetkých veľkostí, a to nielen motory - čokoľvek iné, čo potrebuje obojsmerný prúdový signál, napríklad sínusové invertory.

Pri použití tohto obvodu aj pri nízkom výkone je nevyhnutné správne lokalizované oddelenie, pokiaľ nechcete, aby bol váš obvod rušivý.

Tiež, ak sa tento obvod buduje na trvalejšej platforme, ako je PCB, odporúča sa veľká zemná rovina, ktorá udržuje časti s nízkym prúdom ďalej od silnoprúdových ciest.

Tento jednoduchý obvod H-Bridge je teda riešením mnohých problémov s riadením motora, ako sú obojsmerné riadenie výkonu a účinnosť.