פשוט ח

בהתחלה הנהיגה במנוע עשויה להיראות כמשימה קלה - פשוט חבר את המנוע למסילת המתח המתאימה והוא יתחיל להסתובב. אך זו לא הדרך המושלמת להניע מנוע במיוחד כאשר ישנם רכיבים אחרים המעורבים במעגל. כאן נדון באחת הדרכים הנפוצות והיעילות ביותר להניע מנועי DC - מעגל H-Bridge.

נהיגה מוטורית

הסוג המנוע הנפוץ ביותר שתיתקל בו במעגלי תחביבים ליישומי הספק נמוך הוא מנוע ה- DC 3V המוצג להלן. מנוע מסוג זה מותאם להפעלת מתח נמוך משני תאים 1.5V.

והפעלתו פשוטה כמו לחבר אותה לשני תאים - המנוע מתניע מייד ופועל כל עוד הסוללות מחוברות. אמנם סוג זה של התקנה טוב ליישומים 'סטטיים' כמו טחנת רוח מינימאלית או מאוורר, אך כשמדובר ביישום 'דינמי' כמו רובוטים, נדרש דיוק רב יותר - בצורה של בקרת מהירות ומומנט משתנה.

ברור כי הפחתת המתח על פני המנוע מורידה את המהירות וסוללה מתה גורמת למנוע איטי, אך אם המנוע מופעל ממעקה המשותף ליותר ממכשיר אחד, יש צורך במעגל נהיגה תקין.

זה יכול אפילו להיות בצורה של וסת ליניארי משתנה כמו LM317 - ניתן לשנות את המתח על פני המנוע כדי להגדיל או להקטין את המהירות. אם יש צורך בזרם נוסף, ניתן לבנות מעגל זה בדיסקרטיות עם כמה טרנזיסטורים דו קוטביים. החסרון הגדול ביותר עם סוג זה של התקנה הוא יעילות - בדיוק כמו עם כל עומס אחר, הטרנזיסטור מתפוגג כל כוח רצוי.

הפתרון לבעיה זו הוא שיטה הנקראת PWM או דופק אפנון רוחב. כאן המנוע מונע על ידי גל מרובע עם מחזור חובה מתכוונן (היחס בין הזמן לתקופת האות). הספק הכולל המסופק הוא פרופורציונלי למחזור החובה. במילים אחרות, המנוע מופעל לשבריר קטן מתקופת הזמן - כך שעם הזמן ההספק הממוצע למנוע נמוך. עם מחזור עבודה של 0%, המנוע כבוי (אין זרם זורם); עם מחזור חובה של 50% המנוע פועל בחצי כוח (חצי משיכת הזרם הנוכחית) ו- 100% מייצג הספק מלא בהשראת זרם מקסימלית.

זה מיושם על ידי חיבור הצד הגבוה של המנוע והנעתו עם MOSFET בערוץ N, המונע שוב על ידי אות PWM.

יש לכך כמה השלכות מעניינות - ניתן להניע מנוע 3 וולט באמצעות אספקת 12 וולט באמצעות מחזור עבודה נמוך מכיוון שהמנוע רואה רק את המתח הממוצע. עם תכנון קפדני, הדבר מבטל את הצורך באספקת חשמל מנועית נפרדת.

מה אם נצטרך להפוך את כיוון המנוע? זה נעשה בדרך כלל על ידי החלפת מסופי המנוע, אך ניתן לעשות זאת באופן חשמלי.

אפשרות אחת יכולה להיות שימוש ב- FET אחר ובהיצע שלילי להחלפת כיוונים. לשם כך יש צורך בהארקה קבועה של מסוף אחד של המנוע והשני מחובר לספק חיובי או שלילי. כאן, ה- MOSFETs מתנהגים כמו מתג SPDT.

עם זאת, קיים פיתרון אלגנטי יותר.

מעגל נהגי המנוע H-Bridge

מעגל זה נקרא H-bridge מכיוון שה- MOSFET יוצרים את שתי המכות האנכיות והמנוע יוצר את המסלול האופקי של האלף-בית 'H'. זהו הפתרון הפשוט והאלגנטי לכל בעיות הנהיגה במנוע. ניתן לשנות את הכיוון בקלות ולשלוט במהירות.

בתצורת גשר H מופעלים רק זוגות ה- MOSFET ההפוכים באלכסון כדי לשלוט בכיוון, כמו שמוצג באיור שלהלן:

כאשר מפעילים זוג אחד של (MOSFET מנוגדים באלכסון) המנוע רואה זרם זרם בכיוון אחד וכאשר הזוג השני מופעל, הזרם דרך המנוע הופך את הכיוון.

ניתן להשאיר את MOSFET דולקים להפעלה מלאה או PWM-ed לוויסות כוח או לכבות אותם בכדי לאפשר למנוע להפסיק. הפעלת MOSFET תחתונה וגם עליונה (אך אף פעם לא יחד) מעכבת את המנוע.

דרך נוספת ליישום H-Bridge היא שימוש ב 555 טיימרים, עליהם דנו במדריך הקודם.

רכיבים נדרשים

לגשר ה- H

• מנוע DC
• 2x IRF3205 MOSFET בערוץ N או שווה ערך
• 2x IRF5210 MOSFET בערוץ P או שווה ערך
• נגדים 2x 10K (הנפתח)
• קבלים אלקטרוליטיים של 100uF (ניתוק)
• 2x קבלים קרמיים של 100nF (ניתוק)

למעגל הבקרה

• טיימר 1x 555 (כל גרסה, רצוי CMOS)
• 1x TC4427 או כל נהג שער מתאים
• 2x 1N4148 או כל אות / דיודה מהירה אחרת
• פוטנציומטר 1K 10K (תזמון)
• נגד 1x 1K (תזמון)
• קבלים 4.7nF (תזמון)
• קבלים 4.7uF (ניתוק)
• קבלים קרמיים 100nF (ניתוק)
• קבל אלקטרוליטי 10uF (ניתוק)
• מתג SPDT

שרטוטים למעגל H-Bridge פשוט

עכשיו, לאחר שהפרשנו את התיאוריה, הגיע הזמן ללכלך את הידיים ולבנות נהג מנועי בגשר H. למעגל זה יש מספיק כוח להניע מנועים בגודל בינוני עד 20A ו- 40V עם בנייה נכונה וקירור. חלק מהתכונות הופשטו, כמו השימוש במתג SPDT לשליטה בכיוון.

כמו כן, MOSFET בצד הגבוה הם ערוץ P לפשטות. עם מעגל הנהיגה המתאים (עם bootstrapping), ניתן להשתמש גם ב- MOSFET של ערוץ N.

תרשים המעגל השלם עבור H-Bridge באמצעות MOSFETs מופיע להלן:

הסבר עבודה

1. טיימר 555

הטיימר הוא מעגל 555 פשוט שמייצר מחזור חובה סביב 10% עד 90%. התדר נקבע על ידי R1, R2 ו- C2. תדרים גבוהים מעדיפים להפחית את הייללות הנשמעות, אך המשמעות היא גם שיש צורך בנהג שער חזק יותר. מחזור החובה נשלט על ידי פוטנציומטר R2. למידע נוסף על שימוש בטיימר 555 במצב מדהים כאן.

מעגל זה יכול להיות מוחלף על ידי כל מקור PWM אחר כמו ארדואינו.

2. נהג שער

נהג השער הוא TC4427 דו ערוצי סטנדרטי, עם כיור / מקור 1.5A לערוץ. כאן, שני הערוצים מקבילים לזרם נהיגה רב יותר. שוב, אם התדירות גבוהה יותר, נהג השער צריך להיות חזק יותר.

מתג SPDT משמש לבחירת רגל גשר H השולט בכיוון.

3. H-Bridge

זהו החלק העובד במעגל השולט במנוע. שערי MOSFET נמשכים בדרך כלל נמוך על ידי הנגד הנפתח. כתוצאה מכך שני ה- MOSFET של ערוץ P מופעלים, אך אין זו בעיה מכיוון ששום זרם לא יכול לזרום. כאשר אות ה- PWM מוחל על שערי רגל אחת, ה- MOSFET של ערוץ ה- N וה- P מופעל ונכבה לסירוגין, תוך שליטה על ההספק.

טיפים לבניית מעגלים H-Bridge

היתרון הגדול ביותר של מעגל זה הוא שניתן לשנותו בכדי להניע מנועים בכל הגדלים, ולא רק מנועים - כל דבר אחר שזקוק לאות זרם דו כיווני, כמו ממירי גל סינוס.

בעת שימוש במעגל זה אפילו בהספקים נמוכים, ניתוק מקומי נכון הוא חובה אלא אם כן אתה רוצה שהמעגל שלך יהיה תקין.

כמו כן, אם בונים מעגל זה בפלטפורמה קבועה יותר כמו PCB, מומלץ להשתמש במישור קרקעי גדול, המרחיק את חלקי הזרם הנמוך מנתיבי הזרם הגבוהים.

אז מעגל ה- H-Bridge הפשוט הזה הוא הפיתרון לבעיות נהיגה מוטוריות רבות כמו דו כיוונית, ניהול צריכת חשמל ויעילות.