- การขับขี่รถยนต์
- วงจรขับมอเตอร์ H-Bridge
- ส่วนประกอบที่จำเป็น
- แผนผังสำหรับวงจร H-Bridge อย่างง่าย
- คำอธิบายการทำงาน
- เคล็ดลับการสร้างวงจร H-Bridge
ในตอนแรกการขับมอเตอร์อาจดูเหมือนเป็นเรื่องง่ายเพียงแค่เกี่ยวมอเตอร์เข้ากับรางแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสมแล้วมันจะเริ่มหมุน แต่นี่ไม่ใช่วิธีที่สมบูรณ์แบบในการขับเคลื่อนมอเตอร์โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีส่วนประกอบอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องในวงจร ในที่นี้เราจะพูดถึงวิธีที่ใช้กันมากที่สุดและมีประสิทธิภาพในการขับเคลื่อนมอเตอร์กระแสตรงนั่นคือวงจร H-Bridge
การขับขี่รถยนต์
ประเภทของมอเตอร์ที่คุณอาจพบบ่อยที่สุดในแวดวงงานอดิเรกสำหรับการใช้งานพลังงานต่ำคือมอเตอร์ 3V DC ที่แสดงด้านล่าง มอเตอร์ชนิดนี้เหมาะสำหรับการทำงานด้วยแรงดันไฟฟ้าต่ำจากเซลล์ 1.5V สองเซลล์
และการเรียกใช้งานทำได้ง่ายเพียงแค่เชื่อมต่อกับเซลล์สองเซลล์ - มอเตอร์จะยิงขึ้นทันทีและทำงานได้ตราบเท่าที่เชื่อมต่อแบตเตอรี่ แม้ว่าการตั้งค่าแบบนี้จะดีสำหรับการใช้งานแบบ 'คงที่' เช่นกังหันลมขนาดเล็กหรือพัดลม แต่เมื่อพูดถึงแอปพลิเคชัน 'ไดนามิก' เช่นหุ่นยนต์จำเป็นต้องมีความแม่นยำมากขึ้นในรูปแบบของการควบคุมความเร็วและแรงบิด
เห็นได้ชัดว่าการลดแรงดันไฟฟ้าทั่วมอเตอร์จะลดความเร็วและแบตเตอรี่ที่ตายแล้วส่งผลให้มอเตอร์ทำงานช้า แต่ถ้ามอเตอร์ขับเคลื่อนจากรางทั่วไปไปยังอุปกรณ์มากกว่าหนึ่งเครื่องจำเป็นต้องมีวงจรขับเคลื่อนที่เหมาะสม
สิ่งนี้อาจอยู่ในรูปของตัวควบคุมเชิงเส้นแบบแปรผันเช่น LM317 - แรงดันไฟฟ้าทั่วมอเตอร์สามารถเปลี่ยนแปลงได้เพื่อเพิ่มหรือลดความเร็ว หากต้องการกระแสมากกว่านี้สามารถสร้างวงจรนี้ได้อย่างรอบคอบด้วยทรานซิสเตอร์สองขั้วอุปสรรคที่ใหญ่ที่สุดกับชนิดของการตั้งค่านี้คือประสิทธิภาพ - เช่นเดียวกับภาระอื่น ๆ ทรานซิสเตอร์ว้าวุ่นทุกอำนาจที่ไม่พึงประสงค์
แก้ปัญหานี้เป็นวิธีการที่เรียกว่า PWM หรือชีพจรการปรับความกว้าง ที่นี่มอเตอร์ขับเคลื่อนด้วยคลื่นสี่เหลี่ยมพร้อมรอบการทำงานที่ปรับได้ (อัตราส่วนของเวลาตรงกับช่วงเวลาของสัญญาณ) กำลังส่งทั้งหมดเป็นสัดส่วนกับรอบการทำงาน กล่าวอีกนัยหนึ่งมอเตอร์ถูกขับเคลื่อนในช่วงเวลาสั้น ๆ ดังนั้นเมื่อเวลาผ่านไปกำลังเฉลี่ยของมอเตอร์จึงอยู่ในระดับต่ำ ด้วยรอบการทำงาน 0% มอเตอร์จะปิด (ไม่มีกระแสไหล) ด้วยรอบการทำงาน 50% มอเตอร์จะทำงานด้วยกำลังครึ่งหนึ่ง (ครึ่งหนึ่งของกระแสไฟฟ้าที่ดึงออกมา) และ 100% แสดงถึงกำลังเต็มที่กระแสไฟฟ้าสูงสุด
สิ่งนี้ดำเนินการโดยเชื่อมต่อมอเตอร์ด้านสูงและขับเคลื่อนด้วย N-channel MOSFET ซึ่งขับเคลื่อนอีกครั้งด้วยสัญญาณ PWM
สิ่งนี้มีนัยยะที่น่าสนใจ - มอเตอร์ 3V สามารถขับเคลื่อนโดยใช้แหล่งจ่ายไฟ 12V โดยใช้รอบการทำงานต่ำเนื่องจากมอเตอร์เห็นเฉพาะแรงดันไฟฟ้าเฉลี่ย ด้วยการออกแบบอย่างระมัดระวังจึงไม่จำเป็นต้องใช้แหล่งจ่ายไฟมอเตอร์แยกต่างหาก
เกิดอะไรขึ้นถ้าเราต้องการกลับทิศทางของมอเตอร์? โดยปกติจะทำได้โดยการเปลี่ยนขั้วมอเตอร์ แต่สามารถทำได้ด้วยระบบไฟฟ้า
ทางเลือกหนึ่งอาจใช้ FET อื่นและอุปทานเชิงลบเพื่อเปลี่ยนทิศทาง สิ่งนี้ต้องใช้ขั้วหนึ่งของมอเตอร์เพื่อต่อสายดินอย่างถาวรและอีกขั้วหนึ่งเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟบวกหรือลบ ที่นี่ MOSFET ทำหน้าที่เหมือนสวิตช์ SPDT
อย่างไรก็ตามมีวิธีแก้ปัญหาที่หรูหรากว่านี้
วงจรขับมอเตอร์ H-Bridge
วงจรนี้เรียกว่าH-bridgeเนื่องจาก MOSFET สร้างจังหวะแนวตั้งสองจังหวะและมอเตอร์จะสร้างจังหวะแนวนอนของตัวอักษร 'H' เป็นวิธีแก้ปัญหาการขับขี่ที่เรียบง่ายและสวยงาม ทิศทางที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างง่ายดายและความเร็วสามารถควบคุมได้
ในการกำหนดค่าสะพาน H เฉพาะ MOSFET คู่ตรงข้ามแนวทแยงเท่านั้นที่จะเปิดใช้งานเพื่อควบคุมทิศทางดังแสดงในรูปด้านล่าง:
เมื่อเปิดใช้งาน MOSFET หนึ่งคู่ (ตรงข้ามแนวทแยงมุม) มอเตอร์จะมองเห็นการไหลของกระแสในทิศทางเดียวและเมื่อเปิดใช้งานอีกคู่หนึ่งกระแสที่ผ่านมอเตอร์จะกลับทิศทาง
MOSFET สามารถเปิดทิ้งไว้เพื่อใช้พลังงานเต็มหรือ PWM-ed สำหรับการควบคุมกำลังไฟหรือปิดเพื่อให้มอเตอร์หยุดทำงาน การเปิดใช้งาน MOSFETs ทั้งด้านล่างและด้านบน (แต่ไม่เคยร่วมกัน) เบรกมอเตอร์
อีกวิธีหนึ่งในการใช้ H-Bridge คือการใช้ตัวจับเวลา 555 ตัวซึ่งเราได้พูดถึงในบทช่วยสอนก่อนหน้านี้
ส่วนประกอบที่จำเป็น
สำหรับสะพาน H- มอเตอร์กระแสตรง
- 2x IRF3205 N-channel MOSFETs หรือเทียบเท่า
- 2x IRF5210 P-channel MOSFETs หรือเทียบเท่า
- ตัวต้านทาน 2x 10K (แบบเลื่อนลง)
- 2x 100uF ตัวเก็บประจุไฟฟ้า (แยก)
- ตัวเก็บประจุเซรามิก 2x 100nF (แยก)
สำหรับวงจรควบคุม
- 1x 555 จับเวลา (ตัวแปรใด ๆ ควรเป็น CMOS)
- 1x TC4427 หรือตัวขับเกตที่เหมาะสม
- 2x 1N4148 หรือไดโอดสัญญาณ / เร็วพิเศษอื่น ๆ
- 1x 10K โพเทนชิออมิเตอร์ (เวลา)
- ตัวต้านทาน 1x 1K (เวลา)
- ตัวเก็บประจุ 4.7nF (เวลา)
- ตัวเก็บประจุ 4.7uF (แยก)
- ตัวเก็บประจุเซรามิก 100nF (แยก)
- ตัวเก็บประจุไฟฟ้า 10uF (แยก)
- สวิตช์ SPDT
แผนผังสำหรับวงจร H-Bridge อย่างง่าย
ตอนนี้เรามีทฤษฎีหมดแล้วก็ถึงเวลาทำให้มือของเราสกปรกและสร้างไดรเวอร์มอเตอร์ H-bridge วงจรนี้มีกำลังเพียงพอที่จะขับเคลื่อนมอเตอร์ขนาดกลางได้ถึง 20A และ 40V ด้วยโครงสร้างและฮีทซิงค์ที่เหมาะสม คุณลักษณะบางอย่างได้รับการทำให้ง่ายขึ้นเช่นการใช้สวิตช์ SPDT เพื่อควบคุมทิศทาง
นอกจากนี้MOSFET ด้านสูงยังเป็น P-channelเพื่อความเรียบง่าย ด้วยวงจรขับที่เหมาะสม (พร้อม bootstrapping) สามารถใช้ N-channel MOSFET ได้
แผนภาพวงจรที่สมบูรณ์สำหรับ H-Bridge นี้โดยใช้ MOSFETsมีดังต่อไปนี้:
คำอธิบายการทำงาน
1. ตัวจับเวลา 555
ตัวจับเวลาเป็นวงจร 555 ธรรมดาที่สร้างรอบการทำงานตั้งแต่ 10% ถึง 90% ความถี่ถูกกำหนดโดย R1, R2 และ C2 ความถี่สูงเป็นที่ต้องการเพื่อลดเสียงหอน แต่ก็หมายความว่าต้องใช้ตัวขับเกตที่ทรงพลังกว่า รอบการทำงานถูกควบคุมโดยโพเทนชิออมิเตอร์ R2 เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการใช้ตัวจับเวลา 555 ในโหมด astable ที่นี่
วงจรนี้สามารถถูกแทนที่ด้วยแหล่ง PWM อื่น ๆ เช่น Arduino
2. ไดรเวอร์ประตู
ตัวขับเกตเป็นTC4427 สองช่องมาตรฐานพร้อมอ่างล้างจาน / แหล่งจ่าย 1.5A ต่อช่องสัญญาณ ที่นี่ทั้งสองช่องได้รับการขนานกันเพื่อให้มีกระแสขับเคลื่อนมากขึ้น อีกครั้งหากความถี่สูงขึ้นไดรเวอร์ประตูจะต้องมีประสิทธิภาพมากขึ้น
สวิตช์ SPDT ใช้เพื่อเลือกขาของสะพาน H ที่ควบคุมทิศทาง
3. สะพาน H
นี่คือส่วนการทำงานของวงจรที่ควบคุมมอเตอร์ โดยปกติประตู MOSFET จะถูกดึงให้ต่ำโดยตัวต้านทานแบบดึงลง ซึ่งส่งผลให้ MOSFET ของช่องสัญญาณ P ทั้งสองเปิดอยู่ แต่นี่ไม่ใช่ปัญหาเนื่องจากไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลได้ เมื่อสัญญาณ PWM ถูกนำไปใช้กับประตูของขาเดียว MOSFET N และ P-channel จะเปิดและปิดสลับกันเพื่อควบคุมพลังงาน
เคล็ดลับการสร้างวงจร H-Bridge
ข้อได้เปรียบที่ใหญ่ที่สุดของวงจรนี้คือสามารถปรับขนาดให้ขับเคลื่อนมอเตอร์ได้ทุกขนาดและไม่เพียง แต่มอเตอร์เท่านั้นสิ่งอื่นที่ต้องการสัญญาณกระแสแบบสองทิศทางเช่นอินเวอร์เตอร์คลื่นไซน์
เมื่อใช้วงจรนี้แม้จะใช้พลังงานต่ำการแยกสัญญาณที่ถูกแปลเป็นภาษาท้องถิ่นที่เหมาะสมก็เป็นสิ่งจำเป็นเว้นแต่คุณจะต้องการให้วงจรของคุณผิดพลาด
นอกจากนี้หากสร้างวงจรนี้บนแพลตฟอร์มที่ถาวรกว่าเช่นPCB ขอแนะนำให้ใช้ระนาบกราวด์ขนาดใหญ่โดยให้ชิ้นส่วนกระแสไฟต่ำอยู่ห่างจากเส้นทางกระแสสูง
ดังนั้นวงจร H-Bridge ที่เรียบง่ายนี้จึงเป็นทางออกสำหรับปัญหาการขับขี่ของมอเตอร์เช่นแบบสองทิศทางการจัดการพลังงานและประสิทธิภาพ