Jednoduché h

Hned na začátku se může motor jevit jako snadný úkol - stačí zavěsit motor na příslušnou napěťovou lištu a začne se otáčet. To však není dokonalý způsob řízení motoru, zvláště když jsou v obvodu zapojeny další součásti. Zde probereme jeden z nejčastěji používaných a nejúčinnějších způsobů řízení stejnosměrných motorů - obvod H-Bridge.

Řízení motorových vozidel

Nejběžnějším typem motoru, s nímž se můžete setkat v amatérských kruzích pro aplikace s nízkým výkonem, je 3V DC motor zobrazený níže. Tento druh motoru je optimalizován pro nízkonapěťový provoz ze dvou článků 1,5 V.

A jeho provoz je stejně jednoduchý jako jeho připojení ke dvěma buňkám - motor se okamžitě zapálí a běží, dokud jsou připojeny baterie. I když je tento druh nastavení vhodný pro „statické“ aplikace, jako je miniaturní větrný mlýn nebo ventilátor, pokud jde o „dynamickou“ aplikaci, jako jsou roboti, je zapotřebí větší přesnosti - v podobě regulace proměnné rychlosti a točivého momentu.

Je zřejmé, že snížení napětí na motoru snižuje rychlost a vybitá baterie vede k pomalému motoru, ale pokud je motor napájen z kolejnice společné pro více než jedno zařízení, je nutný správný hnací obvod.

Může to být dokonce ve formě variabilního lineárního regulátoru, jako je LM317 - napětí na motoru lze měnit za účelem zvýšení nebo snížení rychlosti. Pokud je potřeba více proudu, lze tento obvod diskrétně vytvořit pomocí několika bipolárních tranzistorů. Největší nevýhodou tohoto druhu instalace je účinnost - stejně jako s jakýmkoli jiným zatížením, tranzistor odvádí veškerou nechtěnou sílu.

Řešením tohoto problému je způsob nazvaný PWM nebo pulzní šířková modulace. Zde je motor poháněn čtvercovou vlnou s nastavitelným pracovním cyklem (poměr doby zapnutí k době signálu). Celkový dodaný výkon je úměrný pracovnímu cyklu. Jinými slovy, motor je napájen po malou část časového období - takže v průběhu času je průměrný výkon motoru nízký. Při pracovním cyklu 0% je motor vypnutý (neproudí žádný proud); s pracovním cyklem 50% běží motor na poloviční výkon (poloviční odběr proudu) a 100% představuje plný výkon při maximálním odběru proudu.

To je realizováno připojením vysoké strany motoru a jeho řízení s N-kanálovým MOSFETem, který je opět poháněn signálem PWM.

To má některé zajímavé důsledky - 3V motor lze pohánět pomocí 12V napájení s nízkým pracovním cyklem, protože motor vidí pouze průměrné napětí. Díky pečlivé konstrukci to eliminuje potřebu samostatného napájení motoru.

Co když potřebujeme obrátit směr motoru? To se obvykle provádí přepnutím svorek motoru, ale lze to provést elektricky.

Jednou z možností by mohlo být použití jiného FET a záporného napájení ke změně směru. To vyžaduje, aby jedna svorka motoru byla trvale uzemněna a druhá připojena buď ke kladnému nebo zápornému napájení. Zde fungují MOSFETy jako přepínač SPDT.

Existuje však elegantnější řešení.

Obvod řidiče motoru H-Bridge

Tento obvod se nazývá H-můstek, protože MOSFETy tvoří dva vertikální tahy a motor tvoří horizontální tah abecedy „H“. Jedná se o jednoduché a elegantní řešení všech problémů s řízením motoru. Směr lze snadno změnit a rychlost může být řízena.

V konfiguraci H-můstku jsou aktivovány pouze úhlopříčně protilehlé páry MOSFETů pro ovládání směru, jak je znázorněno na následujícím obrázku:

Když aktivujete jeden pár (úhlopříčně protilehlých) MOSFETů, motor vidí tok proudu v jednom směru a když je aktivován druhý pár, proud skrz motor obrátí směr.

MOSFETy lze ponechat zapnuté pro plný výkon nebo PWM-ed pro regulaci výkonu nebo vypnuté, aby se motor zastavil. Aktivace spodního i horního MOSFETu (ale nikdy spolu) brzdí motor.

Dalším způsobem, jak implementovat H-Bridge, je použití časovačů 555, které jsme probrali v předchozím tutoriálu.

Požadované komponenty

Pro H-most

Stejnosměrný motor
2x IRF3205 N-kanálové MOSFETy nebo ekvivalent
2x IRF5210 P-kanálové MOSFETy nebo ekvivalent
2x 10K rezistory (rozbalovací)
2x 100uF elektrolytické kondenzátory (oddělení)
2x 100nF keramické kondenzátory (oddělení)

Pro řídicí obvod

1x časovač 555 (jakákoli varianta, nejlépe CMOS)
1x TC4427 nebo jakýkoli vhodný ovladač brány
2x 1N4148 nebo jakákoli jiná signální / ultrarychlá dioda
1x 10K potenciometr (časování)
1x 1K rezistor (časování)
4,7nF kondenzátor (časování)
4,7uF kondenzátor (oddělení)
100nF keramický kondenzátor (oddělení)
10uF elektrolytický kondenzátor (oddělení)
Přepínač SPDT

Schémata pro jednoduchý obvod H-Bridge

Teď, když máme teorii z cesty, je čas zašpinit si ruce a postavit ovladač motoru H-můstku. Tento obvod má dostatek energie pro pohon středně velkých motorů do 20 A a 40 V se správnou konstrukcí a chlazením. Některé funkce byly zjednodušeny, například použití přepínače SPDT k ovládání směru.

Také vysoké MOSFETy jsou pro jednoduchost P-kanálem. S vhodným budicím obvodem (s bootstrappingem) by mohly být také použity M-kanály M-kanálu N.

Kompletní schéma zapojení pro tento H-Bridge pomocí MOSFET je uvedeno níže:

Pracovní vysvětlení

1. Časovač 555

Časovač je jednoduchý obvod 555, který generuje pracovní cyklus od přibližně 10% do 90%. Frekvence je nastavena pomocí R1, R2 a C2. Pro snížení slyšitelného kňučení se upřednostňují vysoké frekvence, ale to také znamená, že je zapotřebí výkonnější ovladač brány. Pracovní cyklus je řízen potenciometrem R2. Další informace o používání časovače 555 v astabilním režimu najdete zde.

Tento obvod lze nahradit jakýmkoli jiným zdrojem PWM, jako je Arduino.

2. Ovladač brány

Ovladač brány je standardní dvoukanálový TC4427 s 1,5 A umyvadlem / zdrojem na kanál. Zde jsou oba kanály paralelně zapojeny pro větší hnací proud. Opět platí, že pokud je frekvence vyšší, musí být ovladač brány výkonnější.

Přepínač SPDT se používá k výběru ramene H-můstku, který řídí směr.

3. H-most

Toto je pracovní část obvodu, který řídí motor. Brány MOSFET jsou normálně stahovány nízko roztahovým rezistorem. To má za následek zapnutí obou P-kanálů MOSFETů, ale to není problém, protože nemůže proudit žádný proud. Když je signál PWM aplikován na brány jedné nohy, MOSFETy N a P kanálu se střídavě zapínají a vypínají a ovládají výkon.

Tipy pro konstrukci obvodu H-Bridge

Největší výhodou tohoto obvodu je, že může být upraven tak, aby poháněl motory všech velikostí, a to nejen motory - cokoli jiného, co potřebuje obousměrný proudový signál, jako jsou sinusové měniče.

Pokud používáte tento obvod i při nízkých výkonech, je nutné správné lokalizované oddělení, pokud nechcete, aby byl váš obvod závadný.

Také při konstrukci tohoto obvodu na trvalejší platformě, jako je PCB, se doporučuje velká zemní rovina, která udržuje části nízkého proudu od silnoproudých cest.

Tento jednoduchý obvod H-Bridge je tedy řešením mnoha problémů s řízením motoru, jako je obousměrné řízení spotřeby a účinnost.