intro22

Kurs Arduino #22: Obsługa H-Bridge L293D L298N

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:

  1. Co to jest H-Brige, budowa i zasada działania
  2. Porównanie mostków L293, L293D i L298N
  3. Przykładowy program dla L293/D i L298N
  4. 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:

h-bridge-1

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.

h-bridge-1c

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:

h-bridge-2

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.

Podczas sterowania tranzystorami, nie można uruchomić jednocześnie T1 i T3 albo T2 i T4 bo wtedy utworzymy przejście pomiędzy zasilaniem, a masą o bardzo niskiej rezystancji co w konsekwencji może uszkodzić tranzystory !

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.

h-bridge-3

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 .

h-bridge-4

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:

l293-d-output

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.