ح

في البداية ، قد تبدو قيادة المحرك مهمة سهلة - ما عليك سوى توصيل المحرك بقضيب الجهد المناسب وسيبدأ في الدوران. لكن هذه ليست الطريقة المثلى لقيادة المحرك خاصة عندما تكون هناك مكونات أخرى متضمنة في الدائرة. سنناقش هنا واحدة من أكثر الطرق شيوعًا وفعالية لقيادة محركات التيار المستمر - دائرة H-Bridge.

قيادة السيارات

أكثر أنواع المحركات شيوعًا التي قد تصادفها في دوائر الهواة لتطبيقات الطاقة المنخفضة هو محرك 3V DC الموضح أدناه. تم تحسين هذا النوع من المحركات للعمل بجهد منخفض من خليتين بجهد 1.5 فولت.

وتشغيله بسيط مثل توصيله بخليتين - يشتعل المحرك على الفور ويعمل طالما أن البطاريات متصلة. في حين أن هذا النوع من الإعداد مفيد للتطبيقات "الثابتة" مثل طاحونة الهواء أو المروحة المصغرة ، عندما يتعلق الأمر بالتطبيقات "الديناميكية" مثل الروبوتات ، هناك حاجة إلى مزيد من الدقة - في شكل سرعة متغيرة والتحكم في عزم الدوران.

من الواضح أن تقليل الجهد عبر المحرك يقلل السرعة ويؤدي نفاد البطارية إلى بطء المحرك ، ولكن إذا تم تشغيل المحرك من سكة مشتركة لأكثر من جهاز ، فستكون هناك حاجة إلى دائرة قيادة مناسبة.

يمكن أن يكون هذا في شكل منظم خطي متغير مثل LM317 - يمكن تغيير الجهد عبر المحرك لزيادة السرعة أو تقليلها. إذا كانت هناك حاجة إلى مزيد من التيار ، يمكن بناء هذه الدائرة بشكل سري باستخدام عدد قليل من الترانزستورات ثنائية القطب. و العائق الاكبر مع هذا النوع من الإعداد كفاءة - تماما مثل مع أي حمولة أخرى، والترانزستور تبدد كل السلطة غير المرغوب فيها.

و الحل لهذه المشكلة هو طريقة تسمى PWM أو نبض تعديل العرض. هنا ، يتم تشغيل المحرك بواسطة موجة مربعة مع دورة عمل قابلة للضبط (نسبة الوقت إلى فترة الإشارة). إجمالي الطاقة المسلمة يتناسب مع دورة العمل. بمعنى آخر ، يتم تشغيل المحرك لجزء صغير من الفترة الزمنية - لذلك بمرور الوقت يكون متوسط ​​الطاقة للمحرك منخفضًا. مع دورة تشغيل 0٪ ، يكون المحرك متوقفًا (لا يتدفق التيار) ؛ مع دورة عمل بنسبة 50٪ ، يعمل المحرك بنصف الطاقة (نصف السحب الحالي) ويمثل 100٪ الطاقة الكاملة عند أقصى سحب للتيار.

يتم تنفيذ ذلك من خلال توصيل الجانب العالي للمحرك وقيادته بـ N-channel MOSFET ، والذي يتم تشغيله مرة أخرى بواسطة إشارة PWM.

هذا له بعض الآثار المثيرة للاهتمام - يمكن تشغيل محرك 3 فولت باستخدام مصدر بجهد 12 فولت باستخدام دورة تشغيل منخفضة لأن المحرك لا يرى سوى متوسط ​​الجهد. مع التصميم الدقيق ، يلغي هذا الحاجة إلى مصدر طاقة منفصل للمحرك.

ماذا لو احتجنا إلى عكس اتجاه المحرك؟ يتم ذلك عادةً عن طريق تبديل أطراف المحرك ، ولكن يمكن القيام بذلك كهربائيًا.

قد يكون أحد الخيارات هو استخدام FET آخر وإمداد سلبي لتبديل الاتجاهات. يتطلب هذا أن يكون أحد طرفي المحرك مؤرضًا بشكل دائم والآخر متصل إما بمصدر موجب أو سالب. هنا ، تعمل MOSFETs مثل مفتاح SPDT.

ومع ذلك ، يوجد حل أكثر أناقة.

حلبة سائق المحرك H-Bridge

تسمى هذه الدائرة جسر H لأن الدوائر الترانزستورية الفلورية (MOSFET) تشكل الضربتين الرأسيتين ويشكل المحرك الشوط الأفقي للأبجدية "H". إنه الحل البسيط والأنيق لجميع مشاكل قيادة السيارات. و الاتجاه يمكن تغييرها بسهولة ويمكن التحكم في سرعة.

في تكوين جسر H ، يتم فقط تنشيط أزواج MOSFET المعاكسة قطريًا للتحكم في الاتجاه ، كما هو موضح في الشكل أدناه:

عند تنشيط زوج واحد من MOSFETs (المعاكس قطريًا) ، يرى المحرك تدفق التيار في اتجاه واحد وعندما يتم تنشيط الزوج الآخر ، فإن التيار عبر المحرك يعكس الاتجاه.

يمكن ترك وحدات MOSFET قيد التشغيل للحصول على الطاقة الكاملة أو PWM-ed لتنظيم الطاقة أو إيقاف تشغيلها للسماح للمحرك بالتوقف. يؤدي تنشيط كل من وحدات الترانزيستور (MOSFET) السفلية والعلوية (ولكن ليس معًا أبدًا) إلى إيقاف المحرك.

هناك طريقة أخرى لتطبيق H-Bridge وهي استخدام 555 مؤقتًا ، والتي ناقشناها في البرنامج التعليمي السابق.

المكونات مطلوبة

لجسر H

• محرك بتيار مستمر
• 2x IRF3205 N-channel MOSFETs أو ما يعادلها
• 2x IRF5210 P-channel MOSFETs أو ما يعادلها
• مقاومات 2x 10 كيلو (منسحب)
• 2x 100 فائق التوهج المكثفات كهربائيا (فصل)
• مكثفات سيراميك 2x 100nF (فصل)

لدائرة التحكم

• مؤقت 1x 555 (أي متغير ويفضل CMOS)
• 1x TC4427 أو أي سائق بوابة مناسب
• 2x 1N4148 أو أي إشارة أخرى / الصمام الثنائي فائق السرعة
• مقياس جهد 1x 10 كيلو (توقيت)
• 1x 1K المقاوم (توقيت)
• 4.7nF مكثف (توقيت)
• 4.7 فائق التوهج مكثف (فصل)
• مكثف سيراميك 100nF (فصل)
• 10 فائق التوهج مكثف كهربائيا (فصل)
• مفتاح SPDT

مخططات لدائرة جسر H بسيط

الآن بعد أن خرجت النظرية من الطريق ، حان الوقت لتسخير أيدينا وبناء محرك H-bridge. تحتوي هذه الدائرة على طاقة كافية لتشغيل محركات متوسطة الحجم تصل إلى 20 أمبير و 40 فولت مع البناء المناسب والتبديد الحراري. تم تبسيط بعض الميزات ، مثل استخدام مفتاح SPDT للتحكم في الاتجاه.

أيضًا ، فإن MOSFETs عالية الجانب هي قناة P للبساطة. مع دائرة القيادة المناسبة (مع التمهيد) ، يمكن أيضًا استخدام N-channel MOSFETs.

يرد أدناه مخطط الدائرة الكاملة لهذا الجسر H باستخدام MOSFET:

شرح العمل

1. 555 الموقت

المؤقت عبارة عن دائرة 555 بسيطة تولد دورة عمل من حوالي 10٪ إلى 90٪. يتم ضبط التردد بواسطة R1 و R2 و C2. تُفضل الترددات العالية لتقليل الأنين المسموع ، ولكن هذا يعني أيضًا أن هناك حاجة إلى محرك بوابة أكثر قوة. يتم التحكم في دورة العمل بواسطة مقياس الجهد R2. تعرف على المزيد حول استخدام مؤقت 555 في الوضع المستقر هنا.

يمكن استبدال هذه الدائرة بأي مصدر PWM آخر مثل Arduino.

2. سائق البوابة

محرك البوابة هو TC4427 قياسي ثنائي القناة ، مع حوض / مصدر 1.5A لكل قناة. هنا ، تمت موازاة كلتا القناتين لمزيد من تيار القيادة. مرة أخرى ، إذا كان التردد أعلى ، يجب أن يكون سائق البوابة أكثر قوة.

يستخدم مفتاح SPDT لتحديد ساق جسر H الذي يتحكم في الاتجاه.

3. H- جسر

هذا هو جزء العمل من الدائرة الذي يتحكم في المحرك. عادةً ما يتم سحب بوابات MOSFET إلى مستوى منخفض بواسطة المقاوم المنسحب. ينتج عن هذا تشغيل كل من MOSFETs P- القناة ، ولكن هذه ليست مشكلة لأنه لا يمكن للتيار أن يتدفق. عندما يتم تطبيق إشارة PWM على بوابات إحدى الأرجل ، يتم تشغيل وإيقاف تشغيل MOSFETs N و P-channel بالتناوب ، للتحكم في الطاقة.

نصائح لبناء حلبة جسر H

أكبر ميزة لهذه الدائرة هي أنه يمكن تحجيمها لتشغيل المحركات من جميع الأحجام ، وليس فقط المحركات - أي شيء آخر يحتاج إلى إشارة تيار ثنائية الاتجاه ، مثل محولات الموجة الجيبية.

عند استخدام هذه الدائرة حتى في حالة الطاقة المنخفضة ، فإن الفصل المحلي المناسب أمر لا بد منه إلا إذا كنت تريد أن تكون دائرتك متقطعة.

أيضًا ، في حالة إنشاء هذه الدائرة على منصة أكثر ديمومة مثل ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، يوصى باستخدام مستوى أرضي كبير ، مع إبقاء الأجزاء الحالية المنخفضة بعيدة عن مسارات التيار العالي.

لذا فإن دائرة H-Bridge البسيطة هذه هي الحل للعديد من مشاكل قيادة المحركات مثل الاتجاه الثنائي ، وإدارة الطاقة والكفاءة.