Einfach h

Zu Beginn scheint das Fahren eines Motors eine leichte Aufgabe zu sein - schließen Sie den Motor einfach an die entsprechende Spannungsschiene an und er beginnt sich zu drehen. Dies ist jedoch nicht der perfekte Weg, um einen Motor anzutreiben, insbesondere wenn andere Komponenten an der Schaltung beteiligt sind. Hier werden wir eine der am häufigsten verwendeten und effizientesten Möglichkeiten zum Antreiben von Gleichstrommotoren diskutieren - die H-Brückenschaltung.

Motor fahren

Der häufigste Motortyp, auf den Sie in Hobbykreisen für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch stoßen, ist der unten gezeigte 3-V-Gleichstrommotor. Dieser Motortyp ist für den Niederspannungsbetrieb von zwei 1,5-V-Zellen optimiert.

Der Betrieb ist so einfach wie das Anschließen an zwei Zellen - der Motor startet sofort und läuft, solange die Batterien angeschlossen sind. Während diese Art der Einrichtung für "statische" Anwendungen wie eine Miniaturwindmühle oder einen Lüfter geeignet ist, ist bei einer "dynamischen" Anwendung wie Robotern mehr Präzision erforderlich - in Form einer variablen Drehzahl- und Drehmomentregelung.

Es ist offensichtlich, dass das Verringern der Spannung am Motor die Drehzahl verringert und eine leere Batterie zu einem langsamen Motor führt. Wenn der Motor jedoch von einer Schiene gespeist wird, die mehreren Geräten gemeinsam ist, ist ein geeigneter Ansteuerkreis erforderlich.

Dies kann sogar in Form eines variablen Linearreglers wie beim LM317 erfolgen - die Spannung am Motor kann variiert werden, um die Drehzahl zu erhöhen oder zu verringern. Wenn mehr Strom benötigt wird, kann diese Schaltung mit wenigen Bipolartransistoren diskret aufgebaut werden. Der größte Nachteil bei dieser Art der Einrichtung ist der Wirkungsgrad - genau wie bei jeder anderen Last verbraucht der Transistor die gesamte unerwünschte Leistung.

Die Lösung für dieses Problem ist eine Methode namens PWM oder Pulsweitenmodulation. Hier wird der Motor von einer Rechteckwelle mit einem einstellbaren Arbeitszyklus (dem Verhältnis der Einschaltdauer zur Periode des Signals) angetrieben. Die abgegebene Gesamtleistung ist proportional zum Arbeitszyklus. Mit anderen Worten, der Motor wird für einen kleinen Bruchteil des Zeitraums angetrieben - daher ist die durchschnittliche Leistung des Motors im Laufe der Zeit gering. Bei einem Arbeitszyklus von 0% ist der Motor ausgeschaltet (es fließt kein Strom). Bei einem Arbeitszyklus von 50% läuft der Motor mit halber Leistung (halber Stromaufnahme) und 100% entspricht voller Leistung bei maximaler Stromaufnahme.

Dies wird implementiert, indem die Motorhochseite verbunden und mit einem N-Kanal-MOSFET angesteuert wird, der erneut von einem PWM-Signal angesteuert wird.

Dies hat einige interessante Auswirkungen: Ein 3-V-Motor kann mit einer 12-V-Versorgung mit einem niedrigen Arbeitszyklus betrieben werden, da der Motor nur die durchschnittliche Spannung sieht. Bei sorgfältiger Konstruktion ist keine separate Motorstromversorgung erforderlich.

Was ist, wenn wir die Richtung des Motors umkehren müssen? Dies erfolgt normalerweise durch Schalten der Motorklemmen, kann jedoch elektrisch erfolgen.

Eine Möglichkeit könnte darin bestehen, einen anderen FET und eine negative Versorgung zum Richtungswechsel zu verwenden. Dies erfordert, dass eine Klemme des Motors dauerhaft geerdet und die andere entweder an die positive oder negative Versorgung angeschlossen ist. Hier wirken die MOSFETs wie ein SPDT-Schalter.

Es gibt jedoch eine elegantere Lösung.

Die H-Bridge-Motortreiberschaltung

Diese Schaltung wird als H-Brücke bezeichnet, da die MOSFETs die beiden vertikalen Hübe bilden und der Motor den horizontalen Strich des Alphabets 'H' bildet. Es ist die einfache und elegante Lösung für alle Motorantriebsprobleme. Die Richtung kann leicht geändert und die Geschwindigkeit gesteuert werden.

In einer H-Brückenkonfiguration werden nur die diagonal gegenüberliegenden MOSFET-Paare aktiviert, um die Richtung zu steuern, wie in der folgenden Abbildung gezeigt:

Wenn ein Paar (diagonal gegenüberliegender) MOSFETs aktiviert wird, sieht der Motor einen Stromfluss in eine Richtung, und wenn das andere Paar aktiviert ist, kehrt der Strom durch den Motor die Richtung um.

Die MOSFETs können für volle Leistung eingeschaltet oder zur Leistungsregelung PWM-aktiviert oder ausgeschaltet werden, um den Motor anhalten zu lassen. Durch Aktivieren der unteren und oberen MOSFETs (jedoch niemals zusammen) wird der Motor gebremst.

Eine andere Möglichkeit, H-Bridge zu implementieren, ist die Verwendung von 555 Timern, die wir im vorherigen Tutorial besprochen haben.

Erforderliche Komponenten

Für die H-Brücke

• Gleichspannungs Motor
• 2x IRF3205 N-Kanal-MOSFETs oder gleichwertig
• 2x IRF5210 P-Kanal MOSFETs oder gleichwertig
• 2x 10K Widerstände (Pulldown)
• 2x 100uF Elektrolytkondensatoren (Entkopplung)
• 2x 100nF Keramikkondensatoren (Entkopplung)

Für den Steuerkreis

• 1x 555 Timer (jede Variante, vorzugsweise CMOS)
• 1x TC4427 oder ein geeigneter Gate-Treiber
• 2x 1N4148 oder eine andere Signal- / Ultraschnelldiode
• 1x 10K Potentiometer (Timing)
• 1x 1K Widerstand (Timing)
• 4,7 nF Kondensator (Timing)
• 4,7 uF Kondensator (Entkopplung)
• 100nF Keramikkondensator (Entkopplung)
• 10uF Elektrolytkondensator (Entkopplung)
• SPDT-Schalter

Schema für einfache H-Brückenschaltung

Jetzt, da wir die Theorie aus dem Weg geräumt haben, ist es Zeit, uns die Hände schmutzig zu machen und einen H-Brücken-Motortreiber zu bauen. Diese Schaltung hat genug Leistung, um mittelgroße Motoren mit bis zu 20 A und 40 V bei ordnungsgemäßer Konstruktion und Kühlung anzutreiben. Einige Funktionen wurden vereinfacht, z. B. die Verwendung eines SPDT-Schalters zur Steuerung der Richtung.

Auch die High-Side-MOSFETs sind der Einfachheit halber P-Kanal. Mit der entsprechenden Ansteuerschaltung (mit Bootstrapping) könnten auch N-Kanal-MOSFETs verwendet werden.

Das vollständige Schaltbild für diese H-Brücke unter Verwendung von MOSFETs ist unten angegeben:

Arbeitserklärung

1. Der 555 Timer

Der Timer ist eine einfache 555-Schaltung, die ein Tastverhältnis von etwa 10% bis 90% erzeugt. Die Frequenz wird durch R1, R2 und C2 eingestellt. Hohe Frequenzen werden bevorzugt, um das hörbare Jammern zu reduzieren. Dies bedeutet jedoch auch, dass ein leistungsstärkerer Gate-Treiber benötigt wird. Das Tastverhältnis wird vom Potentiometer R2 gesteuert. Weitere Informationen zur Verwendung des 555-Timers im Astable-Modus finden Sie hier.

Diese Schaltung kann durch eine andere PWM-Quelle wie ein Arduino ersetzt werden.

2. Gate-Treiber

Der Gate-Treiber ist ein Standard -Zweikanal-TC4427 mit 1,5 A Senke / Quelle pro Kanal. Hier wurden beide Kanäle für mehr Antriebsstrom parallel geschaltet. Wenn die Frequenz höher ist, muss der Gate-Treiber leistungsfähiger sein.

Mit dem SPDT-Schalter wird der Schenkel der H-Brücke ausgewählt, der die Richtung steuert.

3. H-Brücke

Dies ist der Arbeitsteil der Schaltung, die den Motor steuert. Die MOSFET-Gatter werden normalerweise vom Pulldown-Widerstand nach unten gezogen. Dies führt dazu, dass beide P-Kanal-MOSFETs eingeschaltet werden. Dies ist jedoch kein Problem, da kein Strom fließen kann. Wenn das PWM-Signal an die Gates eines Zweigs angelegt wird, werden die N- und P-Kanal-MOSFETs abwechselnd ein- und ausgeschaltet, um die Leistung zu steuern.

Tipps zum Bau von H-Brückenschaltungen

Der größte Vorteil dieser Schaltung besteht darin, dass sie skaliert werden kann, um Motoren aller Größen und nicht nur Motoren anzutreiben - alles andere, das ein bidirektionales Stromsignal benötigt, wie Sinuswechselrichter.

Wenn Sie diese Schaltung auch bei geringer Leistung verwenden, ist eine ordnungsgemäße lokale Entkopplung ein Muss, es sei denn, Sie möchten, dass Ihre Schaltung fehlerhaft ist.

Wenn Sie diese Schaltung auf einer dauerhafteren Plattform wie einer Leiterplatte aufbauen , wird eine große Masseebene empfohlen, die die Teile mit niedrigem Strom von den Pfaden mit hohem Strom fernhält.

Diese einfache H-Brückenschaltung ist somit die Lösung für viele Motorantriebsprobleme wie bidirektional, Energieverwaltung und Effizienz.