- Motorkjøring
- H-Bridge Motor Driver Circuit
- Komponenter kreves
- Skjemaer for enkel H-Bridge Circuit
- Arbeidsforklaring
- Tips for H-Bridge Circuit Construction
Fra begynnelsen kan det hende at en motor virker som en enkel oppgave - bare koble motoren til riktig spenningsskinne, så begynner den å rotere. Men dette er ikke den perfekte måten å kjøre motor på, spesielt når det er andre komponenter involvert i kretsen. Her vil vi diskutere en av de mest brukte og effektive måtene å kjøre DC-motorer på - H-Bridge krets.
Motorkjøring
Den vanligste typen motor du kan komme over i hobbyistkretser for applikasjoner med lav effekt, er 3V DC-motoren vist nedenfor. Denne typen motor er optimalisert for lavspenningsdrift fra to 1,5V celler.
Og å kjøre det er så enkelt som å koble det til to celler - motoren tennes øyeblikkelig og går så lenge batteriene er tilkoblet. Mens denne typen oppsett er bra for "statiske" applikasjoner som en miniatyr vindmølle eller vifte, er det behov for mer presisjon når det gjelder en "dynamisk" applikasjon som roboter - i form av regulering av variabel hastighet og dreiemoment.
Det er åpenbart at å redusere spenningen over motoren reduserer hastigheten, og et dødt batteri resulterer i en treg motor, men hvis motoren får strøm fra en skinne som er felles for mer enn en enhet, er det nødvendig med en riktig drivkrets.
Dette kan til og med være i form av en variabel lineær regulator som LM317 - spenningen over motoren kan varieres for å øke eller redusere hastigheten. Hvis mer strøm er nødvendig, kan denne kretsen bygges diskret med noen få bipolare transistorer. Den største ulempen med denne typen oppsett er effektiviteten - akkurat som med annen belastning, forsvinner transistoren all uønsket kraft.
Den løsning på dette problemet er en metode som kalles PWM eller pulsbreddemodulering. Her drives motoren av en firkantbølge med en justerbar driftssyklus (forholdet mellom tid og signalperioden). Den totale leverte kraften er proporsjonal med driftssyklusen. Med andre ord, motoren får strøm i en liten brøkdel av tidsperioden - så over tid er gjennomsnittlig effekt til motoren lav. Med en 0% driftssyklus er motoren av (ingen strøm flyter); med en driftssyklus på 50%, går motoren med halv effekt (halvparten av strømforbruket) og 100% representerer full effekt ved maksimal strømforbruk.
Dette implementeres ved å koble motorens høyside og kjøre den med en N-kanal MOSFET, som drives igjen av et PWM-signal.
Dette har noen interessante implikasjoner - en 3V-motor kan kjøres ved hjelp av en 12V-forsyning ved hjelp av en lav driftssyklus, siden motoren bare ser gjennomsnittsspenningen. Med forsiktig design eliminerer dette behovet for en separat motorstrømforsyning.
Hva om vi trenger å snu retningen på motoren? Dette gjøres vanligvis ved å bytte motorterminaler, men dette kan gjøres elektrisk.
Et alternativ kan være å bruke en annen FET og en negativ forsyning for å bytte retning. Dette krever at den ene terminalen på motoren er jordet permanent og den andre koblet til enten den positive eller den negative forsyningen. Her fungerer MOSFET-ene som en SPDT-bryter.
Imidlertid eksisterer en mer elegant løsning.
H-Bridge Motor Driver Circuit
Denne kretsen kalles H-bro fordi MOSFET-ene danner de to vertikale slagene og motoren danner det horisontale strek av alfabetet 'H'. Det er den enkle og elegante løsningen på alle bilkjøringsproblemer. Den retning kan endres enkelt og hastigheten kan reguleres.
I en H-brokonfigurasjon er bare de diagonalt motsatte parene av MOSFETs aktivert for å kontrollere retningen, som vist i figuren nedenfor:
Når du aktiverer ett par (diagonalt motsatte) MOSFET-er, ser motoren strømmen i en retning, og når det andre paret aktiveres, reverserer strømmen gjennom motoren retning.
MOSFETene kan være på for full effekt eller PWM-ed for strømregulering eller slått av for å la motoren stoppe. Aktivering av både MOSFETer på bunnen og toppen (men aldri sammen) bremser motoren.
En annen måte å implementere H-Bridge på er å bruke 555 tidtakere, som vi diskuterte i forrige opplæring.
Komponenter kreves
For H-broen- DC-motor
- 2x IRF3205 N-kanal MOSFET eller tilsvarende
- 2x IRF5210 P-kanal MOSFETs eller tilsvarende
- 2x 10K motstander (nedlasting)
- 2x 100uF elektrolytkondensatorer (frakopling)
- 2x 100nF keramiske kondensatorer (frakobling)
For kontrollkretsen
- 1x 555 timer (hvilken som helst variant, helst CMOS)
- 1x TC4427 eller en hvilken som helst passende portdriver
- 2x 1N4148 eller annet signal / ultrahurtig diode
- 1x 10K potensiometer (timing)
- 1x 1K motstand (timing)
- 4.7nF kondensator (timing)
- 4.7uF kondensator (frakopling)
- 100nF keramisk kondensator (frakobling)
- 10uF elektrolytkondensator (frakopling)
- SPDT-bryter
Skjemaer for enkel H-Bridge Circuit
Nå som vi har fått teorien ut av veien, er det på tide å skitne hendene og bygge en H-bromotordriver. Denne kretsen har nok kraft til å kjøre mellomstore motorer opp til 20A og 40V med riktig konstruksjon og varmeavleder. Noen funksjoner er forenklet, som bruken av en SPDT-bryter for å kontrollere retningen.
Dessuten er MOSFETs på høysiden P-kanal for enkelhets skyld. Med riktig drivkrets (med bootstrapping) kan N-kanal MOSFETs også brukes.
Det komplette kretsskjemaet for denne H-Bridge ved bruk av MOSFET er gitt nedenfor:
Arbeidsforklaring
1. 555-tidtakeren
Timeren er en enkel 555 krets som genererer en driftssyklus fra rundt 10% til 90%. Frekvensen er satt av R1, R2 og C2. Høye frekvenser foretrekkes for å redusere hørbar sutring, men dette betyr også at det er behov for en kraftigere portdriver. Driftssyklusen styres av potensiometer R2. Lær mer om bruk av 555 timer i astabelmodus her.
Denne kretsen kan erstattes av en hvilken som helst annen PWM-kilde som en Arduino.
2. Gate Driver
Portdriveren er en standard tokanals TC4427, med 1,5A vask / kilde per kanal. Her har begge kanalene blitt parallelle for mer kjørestrøm. Igjen, hvis frekvensen er høyere, må portdriveren være kraftigere.
SPDT-bryteren brukes til å velge benet på H-broen som styrer retningen.
3. H-bro
Dette er arbeidsdelen av kretsen som styrer motoren. MOSFET-portene trekkes normalt lavt av nedtrekksmotstanden. Dette resulterer i at begge P-kanal MOSFETene slås på, men dette er ikke et problem siden ingen strøm kan strømme. Når PWM-signalet påføres portene til det ene benet, slås N og P-kanal MOSFETs vekselvis på og av, og styrer strømmen.
Tips for H-Bridge Circuit Construction
Den største fordelen med denne kretsen er at den kan skaleres for å drive motorer i alle størrelser, og ikke bare motorer - noe annet som trenger et toveis strømstrømssignal, som sinusomformere.
Når du bruker denne kretsen selv ved lav effekt, er riktig lokal frakobling et must, med mindre du vil at kretsen din skal være glatt.
Også, hvis du konstruerer denne kretsen på en mer permanent plattform som et PCB, anbefales et stort bakkeplan som holder de nåværende delene borte fra de høye strømbanene.
Så denne enkle H-Bridge-kretsen er løsningen for mange motorkjøringsproblemer som toveis, strømstyring og effektivitet.