Enkel h

Fra starten kan det være en nem opgave at køre en motor - bare tilslut motoren til den passende spændingsskinne, så begynder den at dreje. Men dette er ikke den perfekte måde at køre en motor på, især når der er andre komponenter involveret i kredsløbet. Her vil vi diskutere en af ​​de mest anvendte og effektive måder at køre jævnstrømsmotorer på - H-Bridge kredsløb.

Motorkørsel

Den mest almindelige type motor, som du måske støder på i hobbyistkredse til applikationer med lav effekt, er 3V DC-motoren vist nedenfor. Denne type motor er optimeret til lavspændingsdrift fra to 1,5V celler.

Og at køre det er så simpelt som at forbinde det til to celler - motoren tændes med det samme og kører, så længe batterierne er tilsluttet. Mens denne form for opsætning er god til 'statiske' applikationer som en miniature vindmølle eller ventilator, er det nødvendigt med mere præcision, når det kommer til en 'dynamisk' applikation som robotter - i form af regulering af variabel hastighed og drejningsmoment.

Det er indlysende, at faldende spænding over motoren reducerer hastigheden, og et dødt batteri resulterer i en langsom motor, men hvis motoren får strøm fra en skinne, der er fælles for mere end en enhed, er der brug for et ordentligt drivkredsløb.

Dette kan endda være i form af en variabel lineær regulator som LM317 - spændingen over motoren kan varieres for at øge eller mindske hastigheden. Hvis der er behov for mere strøm, kan dette kredsløb opbygges diskret med et par bipolære transistorer. Den største ulempe ved denne form for opsætning er effektiviteten - ligesom med enhver anden belastning spreder transistoren al den uønskede strøm.

Den løsning på dette problem er en metode kaldet PWM eller puls bredde modulation. Her drives motoren af ​​en firkantbølge med en justerbar driftscyklus (forholdet mellem til tiden og signalets periode). Den samlede leverede effekt er proportional med driftscyklussen. Med andre ord får motoren strøm i en lille brøkdel af tidsperioden - så over tid er den gennemsnitlige effekt til motoren lav. Med en 0% driftscyklus er motoren slukket (ingen strøm flyder); med en driftscyklus på 50% kører motoren ved halv effekt (halvdelen af ​​strømforbruget) og 100% repræsenterer fuld effekt ved maksimal strømforbrug.

Dette implementeres ved at forbinde motorens høje side og køre den med en N-kanal MOSFET, som drives igen af ​​et PWM-signal.

Dette har nogle interessante implikationer - en 3V motor kan køres ved hjælp af en 12V forsyning ved hjælp af en lav driftscyklus, da motoren kun ser gennemsnitsspændingen. Med omhyggeligt design eliminerer dette behovet for en separat motorstrømforsyning.

Hvad hvis vi har brug for at vende motorens retning? Dette gøres normalt ved at skifte motorterminalerne, men dette kan gøres elektrisk.

En mulighed kunne være at bruge en anden FET og en negativ forsyning til at skifte retning. Dette kræver, at den ene terminal på motoren er permanent jordforbundet, og den anden er tilsluttet enten den positive eller negative forsyning. Her fungerer MOSFET'erne som en SPDT-switch.

Der findes dog en mere elegant løsning.

H-Bridge Motor Driver Circuit

Dette kredsløb kaldes H-bridge, fordi MOSFET'erne danner de to lodrette slag, og motoren danner det vandrette slag i alfabetet 'H'. Det er den enkle og elegante løsning til alle motorkørselsproblemer. Den retning kan ændres nemt og hastigheden kan reguleres.

I en H- brokonfiguration aktiveres kun de diagonalt modsatte par MOSFET'er til at styre retningen, som vist i nedenstående figur:

Når du aktiverer et par (diagonalt modsatte) MOSFET'er, ser motoren strømmen i den ene retning, og når det andet par aktiveres, vender strømmen gennem motoren retning.

MOSFET'erne kan være tændt for fuld effekt eller PWM-ed til effektregulering eller slukket for at lade motoren stoppe. Aktivering af både MOSFET'er i bund og top (men aldrig sammen) bremser motoren.

En anden måde at implementere H-Bridge på er at bruge 555 timere, som vi diskuterede i forrige tutorial.

Komponenter, der kræves

Til H-broen

• DC-motor
• 2x IRF3205 N-kanal MOSFET'er eller tilsvarende
• 2x IRF5210 P-kanal MOSFET'er eller tilsvarende
• 2x 10K modstande (nedlukning)
• 2x 100 uF elektrolytkondensatorer (afkobling)
• 2x 100nF keramiske kondensatorer (afkobling)

Til kontrolkredsløbet

• 1x 555 timer (enhver variant, helst CMOS)
• 1x TC4427 eller en hvilken som helst passende portdriver
• 2x 1N4148 eller ethvert andet signal / ultrahurtig diode
• 1x 10K potentiometer (timing)
• 1x 1K modstand (timing)
• 4.7nF kondensator (timing)
• 4.7uF kondensator (afkobling)
• 100nF keramisk kondensator (afkobling)
• 10uF elektrolytkondensator (afkobling)
• SPDT-switch

Skemaer til Simple H-Bridge Circuit

Nu hvor vi har fået teorien ud af vejen, er det tid til at gøre vores hænder beskidte og bygge en H-bro-motordriver. Dette kredsløb har nok strøm til at køre mellemstore motorer op til 20A og 40V med korrekt konstruktion og kølelegeme. Nogle funktioner er blevet forenklet, som brugen af ​​en SPDT-switch til at styre retningen.

Desuden er MOSFET'erne på den høje side P-kanal for enkelhedens skyld. Med det passende kørekredsløb (med bootstrapping) kunne N-kanal MOSFET'er også bruges.

Det komplette kredsløbsdiagram for denne H-Bridge ved hjælp af MOSFET'er er angivet nedenfor:

Arbejdsforklaring

1. 555-timeren

Timeren er et simpelt 555 kredsløb, der genererer en driftscyklus fra omkring 10% til 90%. Frekvensen er indstillet af R1, R2 og C2. Høje frekvenser foretrækkes for at reducere hørbar klynken, men det betyder også, at der er behov for en mere kraftfuld portdriver. Arbejdscyklussen styres af potentiometer R2. Lær mere om brug af 555 timer i astabel tilstand her.

Dette kredsløb kan erstattes af enhver anden PWM-kilde som en Arduino.

2. Portdriver

Portdriveren er en standard TC4427 med to kanaler med 1,5 A vask / kilde pr. Kanal. Her er begge kanaler blevet parallel til mere kørestrøm. Igen, hvis frekvensen er højere, skal portdriveren være mere kraftfuld.

SPDT-kontakten bruges til at vælge benet på H-broen, der styrer retningen.

3. H-bro

Dette er den arbejdende del af kredsløbet, der styrer motoren. MOSFET-portene trækkes normalt lavt af rullemodstanden. Dette resulterer i, at begge P-kanal MOSFET'er tændes, men dette er ikke et problem, da ingen strøm kan strømme. Når PWM-signalet påføres porte til det ene ben, tændes og slukkes MOSFET'erne for N og P-kanalen skiftevis og styrer strømmen.

Tips til H-Bridge Circuit Construction

Den største fordel ved dette kredsløb er, at det kan skaleres til at drive motorer i alle størrelser og ikke kun motorer - alt andet, der har brug for et tovejsstrømsignal, som sinusbølger.

Når du bruger dette kredsløb, selv ved lav effekt, er korrekt lokal frakobling et must, medmindre du vil have dit kredsløb til at være glitrende.

Også, hvis der konstrueres dette kredsløb på en mere permanent platform som et printkort, anbefales et stort jordplan, der holder de lave strømdele væk fra de høje strømstier.

Så dette enkle H-Bridge-kredsløb er løsningen til mange motorkørselsproblemer som tovejs, strømstyring og effektivitet.