Cześć,
w tej części kursu dowiesz się, jak obsługiwać sterowniki silników DC, nazywane H-Bridge, przedstawimy najpopularniejsze z nich, porównamy oraz pokażemy przykładowe programy z ich obsługą. Zapraszamy :)
Spis treści:
- Co to jest H-Brige, budowa i zasada działania
- Porównanie mostków L293, L293D i L298N
- Przykładowy program dla L293/D i L298N
- Podsumowanie
Co będziemy potrzebować:
- 1x jeden z wyżej wymieniony mostków
- 1x Arduino
- 2x silniki DC
- 1x Baterie 4x AA albo inne źródło zasilania silników
- 1x zestaw przewodów połączeniowych
1. Co to jest H-Brige, budowa i zasada działania
Zanim cokolwiek zaczniemy mówić o tym mostku to chciałbym na samym początku przedstawić taki schemat:
Od razu możemy zauważyć że schemat połączeń przyjmuje kształt litery „H”. Stąd właśnie wzięła się nazwa tego elementu, a schemat powyżej przedstawia najbardziej podstawową, wersję mostka H, gdzie element S1-S4 to przełączniki, a „M” w środku to silnik. Jak popatrzymy na układ tych elementów, które w dalszym opisie będziemy nazywać elementami przełączającymi to jeżeli je zewrzemy w odpowiedniej kolejności to możemy wywołać różne reakcje silnika. Przykład. Zwierając elementy S1 i S4, spowodujemy, że silnik będzie obracał się w prawo, natomiast, gdy zewrzemy elementy S2 i S3 to wtedy silniki będzie obracać się w lewo.
Lecz jak widać, sposób obsługi takiego mostka jest bardzo manualny, a przecież nikt nie będzie ręcznie przełączać kierunków silnika. Dlatego powstała następna wersja tego mostka, która jest już sterowana sygnałami elektrycznymi i jak się pewnie domyślać jest ona zbudowana na bazie…. Tak, tranzystorów:
Teraz, podając sygnał elektryczny na bazę któregoś z tranzystorów T1-T4 powodujemy jego przewodzenie. Mogłoby się wydawać, że jest to już układ idealny, ale ma on swoje wady- Główną wadą jest spadek napięcia na złączu emiter-kolektor, której wartość przy zwarciu (w naszym przypadku rozruchu silnika) może być bardzo wysoka. W związku z czym podając silnikowi napięcie 6V, może on faktycznie otrzymać napięcie z zakresu 3-4V co jest dużą stratą energii.
Kolejną wadą tego układu jest to, że naszym odbiornikiem (obciążeniem) jest „duża cewka”, na której może się spokojnie wyindukować napięcie ujemne, które jest w stanie za jednym zamachem zabrać nasze elementy przełączające do krainy wiecznych łowów, a mówiąc mniej poetycznie spali nam tranzystory- albo te co są aktualnie w stanie przewodzenia, albo wszystkie w najgorszym wypadku.
Aby zapobiec uszkodzeniom to możemy zastosować diody Shottky’ego lub inne szybkie diody (np. 1N4148), przy wyprowadzeniach silnika. Wtedy niebezpieczne napięcia zostaną odprowadzone prawidłowo do masy albo do VCC.
Ale dalej został nam problem ze spadkami napięcia, które musimy jakoś zażegnać. Dlatego najprostszym sposobem będzie wymiana tranzystorów na MOSFET (albo IGBT). Pewnie myślicie czemu akurat te typy tranzystorów ? odpowiedź jest prosta – niska rezystancja wewnętrzna -rzędu mili ohmów .
Tranzystor T1 i T2 to tranzystory z kanałem typu „P”, a T3 i T4 to tranzystory z kanałem typu „N”. Aby T1 albo T2 zaczął przewodzić to musimy podać na bramkę masę, a jak chcemy T3 i T4 to musimy podać napięcie. Ten układ można jeszcze zminimalizować aby był obsługiwany przez dwa piny- w tym celu łączymy IN1 z IN3 oraz IN2 z IN4. Możemy tak zrobić ponieważ jak wcześniej zauważyliśmy to T1 zaczyna przewodzić, gdy podamy na niego masę, a T3, gdy podamy napięcie. W takim układzie nasz mostek jest gotowy do działania, a spadki napięcia będą rzędu paru miliwoltów.
Teraz przejdźmy do mostków H w jednolitej obudowie. Zobaczmy jak w np. L293 i L293D są zaprojektowane wyjścia:
Jak widać na wyjściach układów są zastosowane połączenia tranzystorów w układzie Darlingtona (zaznaczone na zielono), które charakteryzują się dużym wzmocnieniem beta (albo hFE), dzięki czemu przy stosunkowo nie dużym prądzie wejściowym możemy wykrzesać o wiele większy prąd na wyjściu. Warto zwrócić uwagę że układ L293, nie posiada diod zabezpieczających wyjście, przez co możemy szybko stracić układ, o czym wspomniałem wcześniej. Natomiast w układzie L293D producent dodał diody zabezpieczające wyjście mostka. W przypadku układu L293, brak diod można samemu „naprawić” dodając je zaraz za wyjściem układu.
Mam nadzieję, że w sposób zrozumiały wytłumaczyłem zasadę działania mostka H. Przejdźmy zatem do porównania paru takich mostków.