Απλή h

Στην αρχή η οδήγηση ενός κινητήρα μπορεί να φαίνεται σαν μια εύκολη εργασία - απλώς συνδέστε τον κινητήρα στην κατάλληλη ράγα τάσης και θα αρχίσει να περιστρέφεται. Αλλά αυτός δεν είναι ο τέλειος τρόπος οδήγησης ενός κινητήρα ειδικά όταν υπάρχουν άλλα εξαρτήματα που εμπλέκονται στο κύκλωμα. Εδώ θα συζητήσουμε έναν από τους πιο συχνά χρησιμοποιούμενους και αποδοτικούς τρόπους οδήγησης κινητήρων DC - κύκλωμα H-Bridge.

Οδήγηση με κινητήρα

Ο πιο συνηθισμένος τύπος κινητήρα που μπορεί να συναντήσετε σε χόμπι κύκλους για εφαρμογές χαμηλής ισχύος είναι ο κινητήρας 3V DC που φαίνεται παρακάτω. Αυτό το είδος κινητήρα βελτιστοποιείται για λειτουργία χαμηλής τάσης από δύο κυψέλες 1.5V.

Και η λειτουργία του είναι τόσο απλή όσο η σύνδεση σε δύο κελιά - ο κινητήρας ανάβει αμέσως και λειτουργεί όσο είναι συνδεδεμένες οι μπαταρίες. Ενώ αυτό το είδος ρύθμισης είναι καλό για «στατικές» εφαρμογές όπως ένας μινιατούρος ανεμόμυλος ή ανεμιστήρας, όταν πρόκειται για μια «δυναμική» εφαρμογή όπως ρομπότ, απαιτείται περισσότερη ακρίβεια - με τη μορφή ελέγχου μεταβλητής ταχύτητας και ροπής.

Είναι προφανές ότι η μείωση της τάσης σε ολόκληρο τον κινητήρα μειώνει την ταχύτητα και η μπαταρία που έχει πεθάνει οδηγεί σε αργό κινητήρα, αλλά εάν ο κινητήρας τροφοδοτείται από μια συρόμενη ράγα σε περισσότερες από μία συσκευές, απαιτείται ένα κατάλληλο κύκλωμα οδήγησης.

Αυτό μπορεί ακόμη και να έχει τη μορφή ενός μεταβλητού γραμμικού ρυθμιστή όπως το LM317 - η τάση στον κινητήρα μπορεί να μεταβάλλεται για αύξηση ή μείωση της ταχύτητας. Εάν απαιτείται περισσότερο ρεύμα, αυτό το κύκλωμα μπορεί να κατασκευαστεί διακριτικά με μερικά διπολικά τρανζίστορ. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα με αυτό το είδος εγκατάστασης είναι η αποδοτικότητα - όπως και με οποιοδήποτε άλλο φορτίο, το τρανζίστορ διαλύει όλη την ανεπιθύμητη ισχύ.

Η λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι μια μέθοδος που ονομάζεται PWM ή διαμόρφωση πλάτους παλμού. Εδώ, ο κινητήρας κινείται από ένα τετράγωνο κύμα με έναν ρυθμιζόμενο κύκλο λειτουργίας (η αναλογία χρόνου προς την περίοδο του σήματος). Η συνολική ισχύς που παρέχεται είναι ανάλογη με τον κύκλο λειτουργίας. Με άλλα λόγια, ο κινητήρας τροφοδοτείται για ένα μικρό κλάσμα της χρονικής περιόδου - έτσι με την πάροδο του χρόνου η μέση ισχύς του κινητήρα είναι χαμηλή. Με κύκλο λειτουργίας 0%, ο κινητήρας είναι απενεργοποιημένος (χωρίς ρεύμα) με κύκλο λειτουργίας 50% ο κινητήρας λειτουργεί με μισή ισχύ (μισή τρέχουσα κλήρωση) και 100% αντιπροσωπεύει πλήρη ισχύ στη μέγιστη τρέχουσα κλήρωση.

Αυτό υλοποιείται συνδέοντας τον κινητήρα με την υψηλή πλευρά και οδηγώντας τον με ένα N-channel MOSFET, το οποίο οδηγείται ξανά από ένα σήμα PWM.

Αυτό έχει κάποιες ενδιαφέρουσες επιπτώσεις - ένας κινητήρας 3V μπορεί να κινηθεί χρησιμοποιώντας τροφοδοσία 12V χρησιμοποιώντας έναν κύκλο χαμηλής λειτουργίας αφού ο κινητήρας βλέπει μόνο τη μέση τάση. Με προσεκτικό σχεδιασμό, αυτό εξαλείφει την ανάγκη για ξεχωριστή τροφοδοσία κινητήρα.

Τι γίνεται αν χρειαστεί να αντιστρέψουμε την κατεύθυνση του κινητήρα; Αυτό γίνεται συνήθως αλλάζοντας τους ακροδέκτες του κινητήρα, αλλά αυτό μπορεί να γίνει ηλεκτρικά.

Μια επιλογή θα μπορούσε να είναι να χρησιμοποιήσετε ένα άλλο FET και μια αρνητική τροφοδοσία για εναλλαγή οδηγιών. Αυτό απαιτεί τη μόνιμη γείωση ενός ακροδέκτη του κινητήρα και του άλλου συνδεδεμένου είτε στη θετική είτε στην αρνητική τροφοδοσία. Εδώ, τα MOSFET λειτουργούν σαν διακόπτης SPDT.

Ωστόσο, υπάρχει μια πιο κομψή λύση.

Το κύκλωμα οδηγού κινητήρα H-Bridge

Αυτό το κύκλωμα ονομάζεται H-γέφυρα επειδή οι MOSFET σχηματίζουν τις δύο κάθετες διαδρομές και ο κινητήρας σχηματίζει την οριζόντια διαδρομή του αλφαβήτου «H». Είναι η απλή και κομψή λύση σε όλα τα προβλήματα οδήγησης αυτοκινήτου. Η κατεύθυνση μπορεί να αλλάξει εύκολα και η ταχύτητα μπορεί να ελεγχθεί.

Σε διαμόρφωση H-bridge, ενεργοποιούνται μόνο τα διαγώνια αντίθετα ζεύγη MOSFET για τον έλεγχο της κατεύθυνσης, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα:

Κατά την ενεργοποίηση ενός ζεύγους (διαγώνια απέναντι) MOSFET, ο κινητήρας βλέπει τη ροή ρεύματος προς μία κατεύθυνση και όταν το άλλο ζεύγος ενεργοποιείται, το ρεύμα μέσω του κινητήρα αντιστρέφει την κατεύθυνση.

Τα MOSFET μπορούν να παραμείνουν αναμμένα για πλήρη ισχύ ή PWM-ed για ρύθμιση ισχύος ή να απενεργοποιηθούν για να αφήσουν τον κινητήρα να σταματήσει. Η ενεργοποίηση τόσο των κάτω όσο και των κορυφαίων MOSFET (αλλά ποτέ μαζί) φρενάρει τον κινητήρα.

Ένας άλλος τρόπος για να εφαρμόσετε το H-Bridge είναι να χρησιμοποιήσετε 555 χρονόμετρα, τα οποία συζητήσαμε στο προηγούμενο σεμινάριο.

Απαιτούμενα στοιχεία

Για το H-Bridge

• Κινητήρας DC
• 2x IRF3205 N-channel MOSFET ή ισοδύναμα
• 2x IRF5210 P-channel MOSFET ή ισοδύναμα
• 2x 10K αντιστάσεις (αναπτυσσόμενο)
• Ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές 2x 100uF (αποσύνδεση)
• Κεραμικοί πυκνωτές 2x 100nF (αποσύνδεση)

Για το κύκλωμα ελέγχου

• Χρονοδιακόπτης 1x 555 (οποιαδήποτε παραλλαγή, κατά προτίμηση CMOS)
• 1x TC4427 ή οποιοδήποτε κατάλληλο πρόγραμμα οδήγησης πύλης
• 2x 1N4148 ή οποιαδήποτε άλλη δίοδος σήματος / εξαιρετικά γρήγορης
• Ποτενσιόμετρο 1x 10K (χρονισμός)
• 1x 1K αντίσταση (χρονισμός)
• Πυκνωτής 4.7nF (χρονισμός)
• Πυκνωτής 4.7uF (αποσύνδεση)
• Κεραμικός πυκνωτής 100nF (αποσύνδεση)
• Ηλεκτρολυτικός πυκνωτής 10uF (αποσύνδεση)
• Διακόπτης SPDT

Σχέδια για απλό κύκλωμα H-Bridge

Τώρα που έχουμε ξεπεράσει τη θεωρία, ήρθε η ώρα να βρώσουμε τα χέρια μας βρώμικα και να χτίσουμε έναν οδηγό κινητήρα H-Bridge. Αυτό το κύκλωμα έχει αρκετή ισχύ για να οδηγήσει κινητήρες μεσαίου μεγέθους έως 20Α και 40V με σωστή κατασκευή και ψύκτρα. Ορισμένες δυνατότητες έχουν απλοποιηθεί, όπως η χρήση ενός διακόπτη SPDT για τον έλεγχο της κατεύθυνσης.

Επίσης, τα MOSFET υψηλής πλευράς είναι κανάλι P για απλότητα. Με το κατάλληλο κύκλωμα οδήγησης (με bootstrapping), θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν N-channel MOSFET.

Το πλήρες διάγραμμα κυκλώματος για αυτό το H-Bridge χρησιμοποιώντας MOSFET δίνεται παρακάτω:

Επεξήγηση εργασίας

1. Ο χρονοδιακόπτης 555

Ο χρονοδιακόπτης είναι ένα απλό κύκλωμα 555 που δημιουργεί έναν κύκλο λειτουργίας από περίπου 10% έως 90%. Η συχνότητα ορίζεται από τα R1, R2 και C2. Οι υψηλές συχνότητες προτιμώνται για τη μείωση της ακουστικής φωνής, αλλά αυτό σημαίνει επίσης ότι απαιτείται πιο ισχυρός οδηγός πύλης. Ο κύκλος λειτουργίας ελέγχεται από το ποτενσιόμετρο R2. Μάθετε περισσότερα σχετικά με τη χρήση χρονοδιακόπτη 555 σε κατάσταση αστάθειας εδώ

Αυτό το κύκλωμα μπορεί να αντικατασταθεί από οποιαδήποτε άλλη πηγή PWM όπως ένα Arduino.

2. Οδηγός πύλης

Το πρόγραμμα οδήγησης πύλης είναι ένα τυπικό TC4427 δύο καναλιών, με νεροχύτη / πηγή 1,5A ανά κανάλι. Εδώ, και τα δύο κανάλια έχουν παραλληλιστεί για περισσότερο ρεύμα οδήγησης. Και πάλι, εάν η συχνότητα είναι υψηλότερη, ο οδηγός πύλης πρέπει να είναι πιο ισχυρός.

Ο διακόπτης SPDT χρησιμοποιείται για την επιλογή του σκέλους της γέφυρας H που ελέγχει την κατεύθυνση.

3. H-Γέφυρα

Αυτό είναι το λειτουργικό μέρος του κυκλώματος που ελέγχει τον κινητήρα. Οι πύλες MOSFET συνήθως τραβιούνται χαμηλά από την αντίσταση του πλίνταουν. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ενεργοποίηση και των δύο καναλιών P-MOSFET, αλλά αυτό δεν είναι πρόβλημα καθώς δεν μπορεί να ρέει ρεύμα. Όταν το σήμα PWM εφαρμόζεται στις πύλες ενός ποδιού, τα MOSFET καναλιών Ν και P ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται εναλλάξ, ελέγχοντας την ισχύ.

Συμβουλές κατασκευής κυκλώματος H-Bridge

Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα αυτού του κυκλώματος είναι ότι μπορεί να κλιμακωθεί για την οδήγηση κινητήρων όλων των μεγεθών, και όχι μόνο των κινητήρων - οτιδήποτε άλλο χρειάζεται ένα αμφίδρομο τρέχον σήμα, όπως οι μετατροπείς ημιτονοειδών κυμάτων.

Κατά τη χρήση αυτού του κυκλώματος ακόμη και σε χαμηλές δυνάμεις, η κατάλληλη τοπική αποσύνδεση είναι απαραίτητη, εκτός εάν θέλετε το κύκλωμα σας να είναι δυσλειτουργικό.

Επίσης, εάν κατασκευάζετε αυτό το κύκλωμα σε μια πιο μόνιμη πλατφόρμα όπως ένα PCB, συνιστάται ένα μεγάλο επίπεδο γείωσης, διατηρώντας τα μέρη χαμηλού ρεύματος μακριά από τις διαδρομές υψηλού ρεύματος.

Έτσι, αυτό το απλό κύκλωμα H-Bridge είναι η λύση για πολλά προβλήματα οδήγησης με κινητήρα όπως αμφίδρομα, διαχείριση ισχύος και αποδοτικότητα.