Yksinkertainen h

Alusta alkaen moottorin ajaminen saattaa tuntua helpolta tehtävältä - kiinnitä vain moottori sopivaan jännitekiskoon ja se alkaa pyöriä. Mutta tämä ei ole täydellinen tapa ajaa moottoria varsinkin kun piirissä on muita komponentteja. Tässä keskustelemme yhdestä yleisimmin käytetystä ja tehokkaimmasta tavasta käyttää DC-moottoreita - H-Bridge-piiri.

Moottorikäyttö

Yleisin moottorityyppi, jonka saatat kohdata harrastuspiireissä pienitehoisille sovelluksille, on alla oleva 3 V: n tasavirtamoottori. Tällainen moottori on optimoitu matalajännitekäyttöön kahdesta 1,5 V: n kennosta.

Ja sen käyttö on yhtä helppoa kuin yhdistää se kahteen kennoon - moottori syttyy välittömästi ja käy niin kauan kuin akut on kytketty. Vaikka tällainen asennus on hyvä 'staattisille' sovelluksille, kuten pienelle tuulimyllylle tai tuulettimelle, 'dynaamisen' sovelluksen, kuten robottien, kohdalla tarvitaan enemmän tarkkuutta - vaihtelevan nopeuden ja momentin hallinnan muodossa.

On selvää, että jännitteen pienentäminen moottorin yli vähentää nopeutta ja tyhjä akku johtaa hitaaseen moottoriin, mutta jos moottori saa virtansa kiskosta, joka on yhteinen useammalle kuin yhdelle laitteelle, tarvitaan oikea ajopiiri.

Tämä voi olla jopa muuttuvan lineaarisen säätimen muodossa, kuten LM317 - moottorin poikki olevaa jännitettä voidaan muuttaa nopeuden lisäämiseksi tai vähentämiseksi. Jos tarvitaan enemmän virtaa, tämä piiri voidaan rakentaa huomaamattomasti muutamalla bipolaarisella transistorilla. Suurimpana haittana tällaista asennus on tehokkuus - aivan kuten mitä tahansa muuta kuormaa, transistori haihtuu kaikki toivotut teho.

Ratkaisu tähän ongelmaan on menetelmää, jota kutsutaan PWM tai pulssin leveys modulaation. Tässä moottoria ohjaa neliöaalto, jolla on säädettävä toimintajakso (ajan suhde signaalin jaksoon). Toimitettu kokonaisteho on verrannollinen käyttöjaksoon. Toisin sanoen moottori saa virtaa pienestä murto-osasta ajanjaksosta - joten ajan mittaan moottorin keskimääräinen teho on pieni. 0%: n käyttöjaksolla moottori on pois päältä (ei virtaa); 50%: n käyttöjaksolla moottori käy puoli teholla (puolet nykyisestä vedosta) ja 100% edustaa täyttä tehoa maksimivirralla.

Tämä toteutetaan kytkemällä moottorin yläpuoli ja ajamalla sitä N-kanavaisella MOSFETillä, jota ohjaa jälleen PWM-signaali.

Tällä on mielenkiintoisia vaikutuksia - 3 V: n moottoria voidaan käyttää 12 V: n virtalähteellä pienellä käyttöjaksolla, koska moottori näkee vain keskimääräisen jännitteen. Huolellisella suunnittelulla tämä eliminoi erillisen moottorin virtalähteen tarpeen.

Entä jos meidän on käännettävä moottorin suunta? Tämä tehdään yleensä vaihtamalla moottorin liittimet, mutta tämä voidaan tehdä sähköisesti.

Yksi vaihtoehto voisi olla toisen FET: n ja negatiivisen lähteen käyttäminen suuntien vaihtamiseen. Tämä edellyttää, että moottorin yksi napa on pysyvästi maadoitettu ja toinen kytketty joko positiiviseen tai negatiiviseen syöttöön. Tässä MOSFETit toimivat kuin SPDT-kytkin.

Tyylikkäämpi ratkaisu on kuitenkin olemassa.

H-Bridge-moottorin ohjainpiiri

Tätä virtapiiriä kutsutaan H-sillaksi, koska MOSFETit muodostavat kaksi pystysuoraa iskua ja moottori muodostaa aakkosen 'H' vaakasuoran iskun. Se on yksinkertainen ja tyylikäs ratkaisu kaikkiin moottoriajoneuvoihin. Suunta voidaan muuttaa helposti ja nopeutta voidaan säätää.

H-sillan konfiguraatiossa vain diagonaalisesti vastakkaiset MOSFET-parit aktivoidaan ohjaamaan suuntaa, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty:

Kun aktivoidaan yksi (diagonaalisesti vastakkainen) MOSFET-pari, moottori näkee virtauksen yhteen suuntaan ja kun toinen pari aktivoidaan, moottorin läpi kulkeva virta kääntää suunnan.

MOSFETit voidaan jättää päälle täyden tehon saamiseksi tai PWM-ed tehonsäätöä varten tai sammuttaa moottorin pysäyttämiseksi. Sekä alemman että ylemmän MOSFET-laitteen aktivointi (mutta ei koskaan yhdessä) jarruttaa moottoria.

Toinen tapa toteuttaa H-Bridge on käyttää 555 ajastinta, joista keskustelimme edellisessä opetusohjelmassa.

Tarvittavat komponentit

H-sillalle

DC-moottori
2x IRF3205 N-kanavaista MOSFETiä tai vastaavaa
2x IRF5210 P-kanavan MOSFET tai vastaava
2x 10K vastusta (alaslaskettava)
2x 100uF elektrolyyttikondensaattorit (irrotus)
2x 100nF keraamiset kondensaattorit (irrotus)

Ohjauspiirille

1x 555 ajastin (mikä tahansa vaihtoehto, mieluiten CMOS)
1x TC4427 tai mikä tahansa sopiva porttiohjain
2x 1N4148 tai mikä tahansa muu signaali / ultranopea diodi
1x 10K potentiometri (ajoitus)
1x 1K vastus (ajoitus)
4.7nF kondensaattori (ajoitus)
4.7uF kondensaattori (irrotus)
100nF keraaminen kondensaattori (irrotus)
10uF elektrolyyttikondensaattori (irrotus)
SPDT-kytkin

Kaaviot yksinkertaiselle H-Bridge-piirille

Nyt kun teoria on poissa tieltä, on aika likaista kätemme ja rakentaa H-sillan moottoriohjain. Tällä piirillä on tarpeeksi tehoa keskikokoisten moottorien käyttämiseen jopa 20 A: n ja 40 V: n välillä asianmukaisella rakenteella ja jäähdytyselementillä. Joitakin ominaisuuksia on yksinkertaistettu, kuten SPDT-kytkimen käyttö suuntaan.

Myös korkean puolen MOSFETit ovat P-kanavia yksinkertaisuuden vuoksi. Asianmukaisella ajopiirillä (käynnistyshihnalla) voitaisiin käyttää myös N-kanavan MOSFET-laitteita.

Täydellinen kytkentäkaavio tälle H-sillalle MOSFET-tekniikoilla on annettu alla:

Toimiva selitys

1. 555-ajastin

Ajastin on yksinkertainen 555-piiri, joka tuottaa käyttöjakson noin 10 prosentista 90 prosenttiin. Taajuuden asettavat R1, R2 ja C2. Korkeat taajuudet ovat suositeltavia kuultavan valituksen vähentämiseksi, mutta tämä tarkoittaa myös sitä, että tarvitaan tehokkaampaa porttiohjainta. Käyttöjaksoa ohjataan potentiometrillä R2. Täältä saat lisätietoja 555-ajastimen käytöstä astable-tilassa.

Tämä piiri voidaan korvata millä tahansa muulla PWM-lähteellä, kuten Arduino.

2. Portin ohjain

Porttiohjain on tavallinen kaksikanavainen TC4427, jossa on 1,5 A: n pesuallas / lähde kanavaa kohti. Tässä molemmat kanavat on rinnastettu suurempaan ajovirtaan. Jälleen, jos taajuus on korkeampi, portin ohjaimen on oltava tehokkaampi.

SPDT-kytkintä käytetään valitsemaan suuntaan ohjaavan H-sillan jalka.

3. H-silta

Tämä on moottorin ohjaavan piirin työskentelevä osa. MOSFET-portit vedetään normaalisti alaspäin alasvetovastuksella. Tämän seurauksena molemmat P-kanavan MOSFET-laitteet käynnistyvät, mutta tämä ei ole ongelma, koska virtaa ei voi virrata. Kun PWM-signaali syötetään yhden jalan portteihin, N- ja P-kanavan MOSFET kytketään päälle ja pois vuorotellen ohjaamalla tehoa.

H-Bridge-piirin rakentamisen vinkit

Tämän piirin suurin etu on, että se voidaan skaalata käyttämään kaiken kokoisia moottoreita, ei pelkästään moottoreita - kaikkea muuta, mikä tarvitsee kaksisuuntaisen virtasignaalin, kuten siniaaltoinvertterit.

Kun tätä virtapiiriä käytetään jopa pienillä tehoilla, asianmukainen paikallinen irrotus on välttämätöntä, ellet halua piirisi olevan häiriöinen.

Lisäksi, jos tämä piiri rakennetaan pysyvämmälle alustalle, kuten piirilevylle, suositellaan suurta maatasoa, joka pitää matalavirtaiset osat poissa suurten virtojen reiteistä.

Joten tämä yksinkertainen H-Bridge-piiri on ratkaisu moniin moottori-ajo-ongelmiin, kuten kaksisuuntaisesti, tehonhallintaan ja tehokkuuteen.