Eenvoudig h

In het begin lijkt het besturen van een motor een gemakkelijke taak - sluit de motor gewoon aan op de juiste spanningsrail en hij begint te draaien. Maar dit is niet de perfecte manier om een motor aan te drijven, vooral niet als er andere componenten bij het circuit betrokken zijn. Hier zullen we een van de meest gebruikte en efficiënte manieren bespreken om DC-motoren aan te drijven - H-Bridge-schakeling.

Motorrijden

Het meest voorkomende type motor dat u in hobbyistenkringen kunt tegenkomen voor toepassingen met laag vermogen, is de 3V DC-motor die hieronder wordt weergegeven. Dit type motor is geoptimaliseerd voor werking op lage spanning vanuit twee 1.5V-cellen.

En het draaien is net zo eenvoudig als het aansluiten op twee cellen - de motor start onmiddellijk en werkt zolang de batterijen zijn aangesloten. Hoewel dit soort opstelling goed is voor 'statische' toepassingen zoals een miniatuurwindmolen of ventilator, is er bij een 'dynamische' toepassing zoals robots meer precisie nodig - in de vorm van variabele snelheids- en koppelregeling.

Het is duidelijk dat het verlagen van de spanning over de motor de snelheid verlaagt en een lege batterij resulteert in een langzame motor, maar als de motor wordt aangedreven door een gemeenschappelijke rail naar meer dan één apparaat, is een goed aandrijfcircuit nodig.

Dit kan zelfs de vorm hebben van een variabele lineaire regelaar zoals de LM317 - de spanning over de motor kan worden gevarieerd om de snelheid te verhogen of te verlagen. Als er meer stroom nodig is, kan dit circuit discreet worden gebouwd met een paar bipolaire transistoren. Het grootste nadeel van dit soort opstelling is de efficiëntie - net als bij elke andere belasting, voert de transistor al het ongewenste vermogen af.

De oplossing voor dit probleem is een methode genaamd PWM of pulsbreedtemodulatie. Hier wordt de motor aangedreven door een blokgolf met een instelbare duty-cycle (de verhouding tussen op tijd en de periode van het signaal). Het totale geleverde vermogen is evenredig met de inschakelduur. Met andere woorden, de motor wordt gedurende een klein deel van de tijdsperiode van stroom voorzien - dus na verloop van tijd is het gemiddelde vermogen naar de motor laag. Bij een inschakelduur van 0% is de motor uitgeschakeld (er loopt geen stroom); bij een inschakelduur van 50% draait de motor op half vermogen (de helft van de stroomafname) en 100% staat voor vol vermogen bij maximale stroomafname.

Dit wordt gerealiseerd door de hoge zijde van de motor te verbinden en aan te sturen met een N-kanaals MOSFET, die weer wordt aangestuurd door een PWM-signaal.

Dit heeft een aantal interessante implicaties: een 3V-motor kan worden aangedreven met een 12V-voeding met een lage inschakelduur, aangezien de motor alleen de gemiddelde spanning ziet. Met een zorgvuldig ontwerp, elimineert dit de noodzaak van een aparte motorvoeding.

Wat als we de richting van de motor moeten omkeren? Dit gebeurt meestal door de motorklemmen te verwisselen, maar dit kan ook elektrisch.

Een optie zou kunnen zijn om een andere FET en een negatieve voeding te gebruiken om van richting te veranderen. Dit vereist dat de ene aansluiting van de motor permanent geaard is en de andere is aangesloten op de positieve of negatieve voeding. Hier werken de MOSFET's als een SPDT-schakelaar.

Er bestaat echter een elegantere oplossing.

Het H-Bridge Motor Driver Circuit

Dit circuit wordt H-bridge genoemd omdat de MOSFET's de twee verticale slagen vormen en de motor de horizontale slag van het alfabet 'H' vormt. Het is de eenvoudige en elegante oplossing voor alle motorische aandrijfproblemen. De richting kan eenvoudig worden veranderd en de snelheid kan worden gecontroleerd.

In een H-brugconfiguratie worden alleen de diagonaal tegenovergestelde paren MOSFET's geactiveerd om de richting te regelen, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding:

Bij het activeren van een paar (diagonaal tegenovergestelde) MOSFET's, ziet de motor de stroom in de ene richting stromen en wanneer het andere paar wordt geactiveerd, keert de stroom door de motor van richting om.

De MOSFET's kunnen ingeschakeld blijven voor vol vermogen of PWM-ed voor vermogensregeling of worden uitgeschakeld om de motor te laten stoppen. Het activeren van zowel onderste als bovenste MOSFET's (maar nooit samen) remt de motor.

Een andere manier om H-Bridge te implementeren is het gebruik van 555-timers, die we in de vorige tutorial hebben besproken.

Componenten vereist

Voor de H-Bridge

Gelijkstroommotor
2x IRF3205 N-kanaal MOSFET's of gelijkwaardig
2x IRF5210 P-kanaal MOSFET's of gelijkwaardig
2x 10K weerstanden (pulldown)
2x 100uF elektrolytische condensatoren (ontkoppeling)
2x 100nF keramische condensatoren (ontkoppeling)

Voor het stuurcircuit

1x 555 timer (elke variant, bij voorkeur CMOS)
1x TC4427 of een geschikte gate-driver
2x 1N4148 of een andere signaal / ultrasnelle diode
1x 10K potentiometer (timing)
1x 1K weerstand (timing)
4.7nF condensator (timing)
4.7uF condensator (ontkoppeling)
100nF keramische condensator (ontkoppeling)
10uF elektrolytische condensator (ontkoppeling)
SPDT-schakelaar

Schema's voor Simple H-Bridge Circuit

Nu we de theorie uit de weg hebben geruimd, is het tijd om onze handen vuil te maken en een H-brugmotorbesturing te bouwen. Dit circuit heeft voldoende vermogen om middelgrote motoren tot 20A en 40V aan te drijven met de juiste constructie en koellichaam. Sommige functies zijn vereenvoudigd, zoals het gebruik van een SPDT-schakelaar om de richting te regelen.

Ook zijn de MOSFET's aan de hoge kant P-kanaals voor de eenvoud. Met het juiste stuurcircuit (met bootstrapping) kunnen ook N-kanaal MOSFET's worden gebruikt.

Het volledige schakelschema voor deze H-Bridge met MOSFET's wordt hieronder gegeven:

Werkende uitleg

1. De 555 Timer

De timer is een eenvoudig 555-circuit dat een inschakelduur genereert van ongeveer 10% tot 90%. De frequentie wordt bepaald door R1, R2 en C2. Hoge frequenties hebben de voorkeur om hoorbaar gejank te verminderen, maar dit betekent ook dat een krachtigere gate-driver nodig is. De duty-cycle wordt geregeld door potentiometer R2. Lees hier meer over het gebruik van de 555-timer in de astabiele modus.

Dit circuit kan worden vervangen door een andere PWM-bron zoals een Arduino.

2. Gate-stuurprogramma

De gate-driver is een standaard tweekanaals TC4427, met 1,5 A sink / source per kanaal. Hier zijn beide kanalen parallel geschakeld voor meer aandrijfstroom. Nogmaals, als de frequentie hoger is, moet de gate-driver krachtiger zijn.

De SPDT-schakelaar wordt gebruikt om de poot van de H-brug te selecteren die de richting bepaalt.

3. H-brug

Dit is het werkende deel van het circuit dat de motor bestuurt. De MOSFET-poorten worden normaal gesproken naar beneden getrokken door de pulldown-weerstand. Dit heeft tot gevolg dat beide P-kanaal MOSFET's worden ingeschakeld, maar dit is geen probleem aangezien er geen stroom kan vloeien. Wanneer het PWM-signaal wordt toegevoerd aan de poorten van één been, worden de N- en P-kanaal-MOSFET's afwisselend in- en uitgeschakeld, waardoor het vermogen wordt geregeld.

Tips voor het maken van H-brugcircuits

Het grootste voordeel van dit circuit is dat het kan worden geschaald om motoren van alle groottes aan te drijven, en niet alleen motoren - al het andere dat een bidirectioneel stroomsignaal nodig heeft, zoals sinusomvormers.

Wanneer u dit circuit zelfs bij lage vermogens gebruikt, is een goede lokale ontkoppeling een must, tenzij u wilt dat uw circuit glitchy is.

Als dit circuit op een meer permanent platform zoals een printplaat wordt geconstrueerd , wordt ook een groot aardingsvlak aanbevolen, waarbij de delen met lage stroom uit de buurt van de hoge stroompaden worden gehouden.

Dit eenvoudige H-Bridge-circuit is dus de oplossing voor veel problemen met motoraandrijving, zoals bidirectioneel, energiebeheer en efficiëntie.