Simplu h

La început, conducerea unui motor ar putea părea o sarcină ușoară - doar conectați motorul la șina de tensiune corespunzătoare și va începe să se rotească. Dar aceasta nu este modalitatea perfectă de a conduce un motor mai ales atunci când există alte componente implicate în circuit. Aici vom discuta despre unul dintre cele mai frecvent utilizate și eficiente metode de acționare a motoarelor de curent continuu - circuitul H-Bridge.

Conducerea cu motor

Cel mai obișnuit tip de motor pe care l-ați putea întâlni în cercurile amatorilor pentru aplicații cu putere redusă este motorul de 3V DC prezentat mai jos. Acest tip de motor este optimizat pentru funcționarea de joasă tensiune de la două celule de 1,5V.

Și funcționarea acestuia este la fel de simplă ca conectarea la două celule - motorul se aprinde instantaneu și funcționează atâta timp cât bateriile sunt conectate. În timp ce acest tip de configurare este bun pentru aplicații „statice”, cum ar fi o moară de vânt în miniatură sau un ventilator, atunci când vine vorba de o aplicație „dinamică”, cum ar fi roboții, este nevoie de mai multă precizie - sub formă de control al turației și al turației variabile.

Este evident că scăderea tensiunii pe motor scade viteza și o baterie moartă are ca rezultat un motor lent, dar dacă motorul este alimentat de la o șină comună la mai multe dispozitive, este necesar un circuit de conducere adecvat.

Acest lucru poate fi chiar sub forma unui regulator liniar variabil ca LM317 - tensiunea pe motor poate fi variată pentru a crește sau a reduce viteza. Dacă este nevoie de mai mult curent, acest circuit poate fi construit discret cu câțiva tranzistori bipolari. Cel mai mare dezavantaj al acestui tip de configurare este eficiența - la fel ca în cazul oricărei alte sarcini, tranzistorul disipează toată puterea nedorită.

Soluția la această problemă este o metodă numită PWM sau puls latime modulare. Aici, motorul este acționat de o undă pătrată cu un ciclu de funcționare reglabil (raportul dintre timp și perioada semnalului). Puterea totală livrată este proporțională cu ciclul de funcționare. Cu alte cuvinte, motorul este alimentat pentru o mică parte a perioadei de timp - deci, în timp, puterea medie a motorului este mică. Cu un ciclu de funcționare de 0%, motorul este oprit (nu curge curent); cu un ciclu de funcționare de 50% motorul funcționează la jumătate de putere (jumătate din consumul de curent) și 100% reprezintă putere maximă la consumul de curent maxim.

Acest lucru este implementat prin conectarea motorului la partea superioară și acționarea acestuia cu un MOSFET cu canal N, care este acționat din nou de un semnal PWM.

Acest lucru are câteva implicații interesante - un motor de 3V poate fi acționat folosind o sursă de 12V utilizând un ciclu de funcționare redus, deoarece motorul vede doar tensiunea medie. Cu un design atent, acest lucru elimină necesitatea unei surse de alimentare separate a motorului.

Ce se întâmplă dacă trebuie să inversăm direcția motorului? Acest lucru se face de obicei prin comutarea terminalelor motorului, dar acest lucru se poate face electric.

O opțiune ar putea fi utilizarea unui alt FET și a unei surse negative pentru a comuta direcțiile. Acest lucru necesită ca un terminal al motorului să fie permanent împământat și celălalt conectat fie la sursa pozitivă, fie la cea negativă. Aici, MOSFET-urile acționează ca un comutator SPDT.

Cu toate acestea, există o soluție mai elegantă.

Circuitul driverului motorului H-Bridge

Acest circuit se numește H-bridge, deoarece MOSFET-urile formează cele două curse verticale, iar motorul formează cursa orizontală a alfabetului „H”. Este soluția simplă și elegantă la toate problemele de conducere a motorului. Direcția poate fi schimbată cu ușurință, iar viteza poate fi controlată.

Într-o configurație H-bridge, doar perechile diagonale opuse de MOSFET-uri sunt activate pentru a controla direcția, așa cum se arată în figura de mai jos:

La activarea unei perechi de MOSFET-uri (diagonal opuse), motorul vede curentul curge într-o direcție și când cealaltă pereche este activată, curentul prin motor inversează direcția.

MOSFET-urile pot fi lăsate pornite pentru putere maximă sau PWM-ed pentru reglarea puterii sau oprite pentru a lăsa motorul să se oprească. Activarea MOSFET-urilor de jos și de sus (dar niciodată împreună) frânează motorul.

O altă modalitate de a implementa H-Bridge este utilizarea 555 temporizatoare, despre care am discutat în tutorialul anterior.

Componente necesare

Pentru Podul H

• Motor DC
• 2x MOSFET-uri IRF3205 cu canal N sau echivalent
• 2x MOSFET-uri cu canal P IRF5210 sau echivalent
• 2x rezistențe 10K (derulant)
• 2x condensatori electrolitici 100uF (decuplare)
• 2x condensatori ceramici 100nF (decuplare)

Pentru circuitul de control

• 1x timer 555 (orice variantă, de preferință CMOS)
• 1x TC4427 sau orice driver de poartă adecvat
• 2x 1N4148 sau orice altă semnal / diodă ultrarapidă
• 1x potențiometru 10K (sincronizare)
• 1x rezistor 1K (sincronizare)
• 4.7nF condensator (sincronizare)
• Condensator 4.7uF (decuplare)
• Condensator ceramic 100nF (decuplare)
• Condensator electrolitic 10uF (decuplare)
• Comutator SPDT

Scheme pentru circuitul H-Bridge simplu

Acum că am scos teoria din cale, este timpul să ne murdărim mâinile și să construim un șofer de motor cu punte H. Acest circuit are suficientă putere pentru a acționa motoare de dimensiuni medii de până la 20A și 40V, cu o construcție adecvată și radiator. Unele caracteristici au fost simplificate, cum ar fi utilizarea unui comutator SPDT pentru a controla direcția.

De asemenea, MOSFET-urile laterale sunt canal P pentru simplitate. Cu circuitul de conducere adecvat (cu bootstrapping), ar putea fi utilizate și MOSFET-uri cu canal N.

Schema completă a circuitului pentru acest H-Bridge folosind MOSFET-uri este prezentată mai jos:

Explicație de lucru

1. Cronometrul 555

Cronometrul este un circuit simplu 555 care generează un ciclu de funcționare de la aproximativ 10% la 90%. Frecvența este setată de R1, R2 și C2. Frecvențele înalte sunt preferate pentru a reduce scânceturile audibile, dar acest lucru înseamnă, de asemenea, că este nevoie de un driver de poartă mai puternic. Ciclul de funcționare este controlat de potențiometrul R2. Aflați mai multe despre utilizarea temporizatorului 555 în modul astabil aici.

Acest circuit poate fi înlocuit cu orice altă sursă PWM, cum ar fi un Arduino.

2. Driver de poartă

Driverul de poartă este un TC4427 cu două canale standard, cu o sursă / sursă de 1,5 A pe canal. Aici, ambele canale au fost paralele pentru un curent de conducere mai mare. Din nou, dacă frecvența este mai mare, driverul de poartă trebuie să fie mai puternic.

Comutatorul SPDT este utilizat pentru a selecta piciorul podului H care controlează direcția.

3. Podul H

Aceasta este partea de lucru a circuitului care controlează motorul. Porțile MOSFET sunt în mod normal trase jos de către rezistorul de derulare. Acest lucru duce la pornirea ambelor MOSFET-uri cu canal P, dar aceasta nu este o problemă, deoarece nu poate curge curent. Când semnalul PWM este aplicat la porțile unui picior, MOSFET-urile cu canal N și P sunt pornite și oprite alternativ, controlând puterea.

Sfaturi de construcție a circuitului H-Bridge

Cel mai mare avantaj al acestui circuit este că poate fi scalat pentru a acționa motoare de toate dimensiunile și nu numai motoare - orice altceva care are nevoie de un semnal de curent bidirecțional, cum ar fi invertoarele cu undă sinusoidală.

Când utilizați acest circuit chiar și la puteri reduse, este necesară o decuplare localizată adecvată, cu excepția cazului în care doriți ca circuitul dvs. să fie eronat.

De asemenea, dacă construiți acest circuit pe o platformă mai permanentă ca un PCB, se recomandă un plan de masă mare, păstrând părțile de curent scăzut departe de căile de curent mare.

Deci, acest circuit simplu H-Bridge este soluția pentru multe probleme de conducere a motorului, cum ar fi bidirecțional, gestionarea puterii și eficiența.