Enkel h

Från början kan det hända att en motor känns som en enkel uppgift - bara koppla in motorn på rätt spänningsskena så börjar den rotera. Men det här är inte det perfekta sättet att köra en motor, speciellt när det finns andra komponenter inblandade i kretsen. Här kommer vi att diskutera ett av de mest använda och effektiva sätten att driva likströmsmotorer - H-Bridge-kretsen.

Motorkörning

Den vanligaste typen av motor som du kan stöta på i hobbyistkretsar för applikationer med låg effekt är 3V DC-motorn som visas nedan. Denna typ av motor är optimerad för lågspänningsdrift från två 1,5V-celler.

Och att köra det är så enkelt som att ansluta det till två celler - motorn tänds omedelbart och går så länge batterierna är anslutna. Medan denna typ av installation är bra för "statiska" applikationer som en miniatyrväderkvarn eller en fläkt, när det gäller en "dynamisk" applikation som robotar krävs mer precision - i form av variabel hastighet och momentkontroll.

Det är uppenbart att minskning av spänningen över motorn minskar hastigheten och ett dött batteri resulterar i en långsam motor, men om motorn drivs från en skena som är gemensam för mer än en enhet, krävs en ordentlig drivkrets.

Detta kan till och med vara i form av en variabel linjär regulator som LM317 - spänningen över motorn kan varieras för att öka eller minska hastigheten. Om mer ström behövs kan denna krets byggas diskret med några bipolära transistorer. Den största nackdelen med denna typ av installation är effektiviteten - precis som med alla andra belastningar, släpper transistorn all oönskad effekt.

Den lösning på detta problem är en metod som kallas PWM eller pulsbreddsmodulering. Här drivs motorn av en fyrkantig våg med en justerbar arbetscykel (förhållandet mellan tid och signalens period). Den totala levererade effekten är proportionell mot arbetscykeln. Med andra ord drivs motorn en liten bråkdel av tidsperioden - så över tiden är medeleffekten till motorn låg. Med en 0% arbetscykel är motorn avstängd (ingen ström flyter); med en arbetscykel på 50% går motorn med halv effekt (halva strömförbrukningen) och 100% representerar full effekt vid maximal strömförbrukning.

Detta genomförs genom att ansluta motorns högsida och köra den med en N-kanal MOSFET, som drivs igen av en PWM-signal.

Detta har några intressanta konsekvenser - en 3V-motor kan köras med en 12V-matning med en låg arbetscykel eftersom motorn bara ser medelspänningen. Med noggrann design eliminerar detta behovet av en separat motorströmförsörjning.

Vad händer om vi behöver vända motorns riktning? Detta görs vanligtvis genom att byta motoranslutningar, men detta kan göras elektriskt.

Ett alternativ kan vara att använda en annan FET och en negativ tillförsel för att byta riktning. Detta kräver att en terminal på motorn är permanent jordad och den andra ansluten till antingen den positiva eller negativa matningen. Här fungerar MOSFET: erna som en SPDT-omkopplare.

Det finns dock en mer elegant lösning.

H-Bridge Motor Driver Circuit

Denna krets kallas H-bridge eftersom MOSFET: erna bildar de två vertikala slag och motorn bildar det horisontella slaget i alfabetet 'H'. Det är den enkla och eleganta lösningen på alla problem med bilkörning. Den riktning kan ändras lätt och hastigheten kan regleras.

I en H- bryggkonfiguration aktiveras endast de diagonalt motsatta paren av MOSFETs för att styra riktningen, som visas i nedanstående bild:

När man aktiverar ett par (diagonalt motsatta) MOSFET, ser motorn strömflödet i en riktning och när det andra paret aktiveras, växlar strömmen genom motorn riktning.

MOSFET: erna kan vara på för full effekt eller PWM-ed för effektreglering eller stängda av för att låta motorn stanna. Att aktivera både botten- och topp-MOSFET (men aldrig tillsammans) bromsar motorn.

Ett annat sätt att implementera H-Bridge är att använda 555 timers, som vi diskuterade i föregående handledning.

Komponenter krävs

För H-bron

likströmsmotor
2x IRF3205 N-kanal MOSFET eller motsvarande
2x IRF5210 P-kanal MOSFET eller motsvarande
2x 10K motstånd (nedrullning)
2x 100uF elektrolytkondensatorer (frikoppling)
2x 100nF keramiska kondensatorer (frikoppling)

För kontrollkretsen

1x 555 timer (valfri variant, helst CMOS)
1x TC4427 eller någon lämplig grindförare
2x 1N4148 eller någon annan signal / ultrasnabb diod
1x 10K potentiometer (timing)
1x 1K motstånd (timing)
4.7nF kondensator (timing)
4.7uF kondensator (frikoppling)
100nF keramisk kondensator (frikoppling)
10uF elektrolytkondensator (frikoppling)
SPDT-omkopplare

Scheman för enkel H-Bridge-krets

Nu när vi har tagit bort teorin är det dags att smutsa händerna och bygga en H-bridge-motorförare. Denna krets har tillräckligt med kraft för att driva medelstora motorer upp till 20A och 40V med korrekt konstruktion och kylfläns. Vissa funktioner har förenklats, till exempel användningen av en SPDT-omkopplare för att styra riktningen.

Dessutom är MOSFETs på högsidan P-kanal för enkelhetens skull. Med lämplig drivkrets (med bootstrapping) kan MOSFETs med N-kanal också användas.

Det fullständiga kretsschemat för denna H-Bridge med MOSFETs ges nedan:

Arbetsförklaring

1. 555-timern

Timern är en enkel 555-krets som genererar en arbetscykel från cirka 10% till 90%. Frekvensen ställs in av R1, R2 och C2. Höga frekvenser är att föredra för att minska hörbart gnällande, men det betyder också att en mer kraftfull grindförare behövs. Arbetscykeln styrs av potentiometer R2. Läs mer om hur du använder 555 timer i ett stabilt läge här.

Denna krets kan ersättas av vilken annan PWM-källa som helst som en Arduino.

2. Portförare

Portdrivrutinen är en standard tvåkanalig TC4427, med 1,5A handfat / källa per kanal. Här har båda kanalerna parallelliserats för mer körström. Återigen, om frekvensen är högre måste portföraren vara mer kraftfull.

SPDT-omkopplaren används för att välja benet på H-bron som styr riktningen.

3. H-Bridge

Detta är den arbetsdel av kretsen som styr motorn. MOSFET-grindarna dras normalt lågt av nedrullningsmotståndet. Detta resulterar i att både P-kanalens MOSFETs slås på, men detta är inte ett problem eftersom ingen ström kan strömma. När PWM-signalen appliceras på grindarna till ett ben, slås NOS- och P-kanalens MOSFETs på och av växelvis och styr strömmen.

Tips för H-Bridge Circuit Construction

Den största fördelen med denna krets är att den kan skalas för att driva motorer i alla storlekar, och inte bara motorer - allt annat som behöver en dubbelriktad strömsignal, som sinusvågsomvandlare.

När du använder den här kretsen även vid låg effekt är korrekt lokal frikoppling ett måste om du inte vill att din krets ska vara glitchy.

Om du konstruerar denna krets på en mer permanent plattform som ett kretskort rekommenderas också ett stort jordplan som håller de låga strömdelarna borta från de höga strömvägarna.

Så denna enkla H-Bridge-krets är lösningen för många motorkörningsproblem som dubbelriktad, energihantering och effektivitet.