Semplice h

All'inizio guidare un motore potrebbe sembrare un compito facile: basta collegare il motore alla barra di tensione appropriata e inizierà a ruotare. Ma questo non è il modo perfetto per guidare un motore soprattutto quando ci sono altri componenti coinvolti nel circuito. Qui discuteremo uno dei modi più comunemente usati ed efficienti per guidare i motori CC: il circuito H-Bridge.

Guida a motore

Il tipo più comune di motore che potresti incontrare nei circoli hobbistici per applicazioni a bassa potenza è il motore a 3 V CC mostrato di seguito. Questo tipo di motore è ottimizzato per il funzionamento a bassa tensione da due celle da 1,5 V.

E farlo funzionare è semplice come collegarlo a due celle: il motore si accende immediatamente e funziona finché le batterie sono collegate. Sebbene questo tipo di configurazione sia utile per applicazioni "statiche" come un mulino a vento in miniatura o un ventilatore, quando si tratta di un'applicazione "dinamica" come i robot, è necessaria una maggiore precisione, sotto forma di velocità variabile e controllo della coppia.

È ovvio che diminuendo la tensione attraverso il motore diminuisce la velocità e una batteria scarica si traduce in un motore lento, ma se il motore è alimentato da una guida comune a più di un dispositivo, è necessario un circuito di pilotaggio adeguato.

Questo può anche essere sotto forma di un regolatore lineare variabile come l'LM317: la tensione attraverso il motore può essere variata per aumentare o diminuire la velocità. Se è necessaria più corrente, questo circuito può essere costruito discretamente con alcuni transistor bipolari. Il più grande svantaggio di questo tipo di configurazione è l'efficienza: proprio come con qualsiasi altro carico, il transistor dissipa tutta la potenza indesiderata.

La soluzione a questo problema è un metodo chiamato PWM o modulazione di larghezza di impulso. Qui, il motore è azionato da un'onda quadra con un ciclo di lavoro regolabile (il rapporto tra il tempo di accensione e il periodo del segnale). La potenza totale erogata è proporzionale al ciclo di lavoro. In altre parole, il motore è alimentato per una piccola frazione del periodo di tempo, quindi nel tempo la potenza media al motore è bassa. Con un duty cycle dello 0%, il motore è spento (nessuna corrente che scorre); con un ciclo di lavoro del 50% il motore funziona a metà potenza (metà dell'assorbimento di corrente) e il 100% rappresenta la piena potenza al massimo assorbimento di corrente.

Ciò viene implementato collegando il lato alto del motore e pilotandolo con un MOSFET a canale N, che viene pilotato nuovamente da un segnale PWM.

Ciò ha alcune implicazioni interessanti: un motore a 3 V può essere azionato utilizzando un'alimentazione a 12 V utilizzando un ciclo di lavoro basso poiché il motore vede solo la tensione media. Con un'attenta progettazione, ciò elimina la necessità di un'alimentazione separata del motore.

E se abbiamo bisogno di invertire la direzione del motore? Questo di solito viene fatto commutando i terminali del motore, ma questo può essere fatto elettricamente.

Un'opzione potrebbe essere quella di utilizzare un altro FET e un'alimentazione negativa per cambiare direzione. Ciò richiede che un terminale del motore sia collegato a terra in modo permanente e l'altro collegato all'alimentazione positiva o negativa. Qui, i MOSFET agiscono come un interruttore SPDT.

Tuttavia, esiste una soluzione più elegante.

Il circuito del driver del motore H-Bridge

Questo circuito è chiamato H-bridge perché i MOSFET formano i due tratti verticali e il motore forma la corsa orizzontale dell'alfabeto "H". È la soluzione semplice ed elegante a tutti i problemi di guida del motore. La direzione può essere cambiata facilmente e la velocità può essere controllata.

In una configurazione H-bridge, solo le coppie di MOSFET diagonalmente opposte vengono attivate per controllare la direzione, come mostrato nella figura seguente:

Quando si attiva una coppia di MOSFET (diagonalmente opposti), il motore vede il flusso di corrente in una direzione e quando viene attivata l'altra coppia, la corrente attraverso il motore inverte la direzione.

I MOSFET possono essere lasciati accesi per la massima potenza o PWM per la regolazione della potenza o disattivati per far fermare il motore. L'attivazione dei MOSFET inferiori e superiori (ma mai insieme) frena il motore.

Un altro modo per implementare H-Bridge è utilizzare i timer 555, di cui abbiamo discusso nel tutorial precedente.

Componenti richiesti

Per l'H-Bridge

motore a corrente continua
2x MOSFET a canale N IRF3205 o equivalenti
2x MOSFET a canale P IRF5210 o equivalenti
2x 10K resistenze (pulldown)
Condensatori elettrolitici 2x 100uF (disaccoppiamento)
Condensatori ceramici 2x 100nF (disaccoppiamento)

Per il circuito di controllo

1x 555 timer (qualsiasi variante, preferibilmente CMOS)
1x TC4427 o qualsiasi gate driver appropriato
2x 1N4148 o qualsiasi altro diodo di segnale / ultraveloce
1x potenziometro 10K (temporizzazione)
1x 1K resistore (temporizzazione)
Condensatore 4.7nF (temporizzazione)
Condensatore 4.7uF (disaccoppiamento)
Condensatore ceramico 100nF (disaccoppiamento)
Condensatore elettrolitico 10uF (disaccoppiamento)
Interruttore SPDT

Schemi per un semplice circuito a ponte H.

Ora che abbiamo tolto di mezzo la teoria, è tempo di sporcarci le mani e costruire un driver del motore H-bridge. Questo circuito ha una potenza sufficiente per pilotare motori di medie dimensioni fino a 20 A e 40 V con una costruzione e un dissipatore di calore adeguati. Alcune funzionalità sono state semplificate, come l'utilizzo di un interruttore SPDT per controllare la direzione.

Inoltre, i MOSFET high side sono a canale P per semplicità. Con il circuito di pilotaggio appropriato (con bootstrap), potrebbero essere utilizzati anche MOSFET a canale N.

Di seguito viene fornito lo schema elettrico completo per questo ponte H che utilizza MOSFET:

Spiegazione di lavoro

1. Il 555 Timer

Il timer è un semplice circuito 555 che genera un ciclo di lavoro da circa il 10% al 90%. La frequenza è impostata da R1, R2 e C2. Le alte frequenze sono preferite per ridurre i lamenti udibili, ma questo significa anche che è necessario un gate driver più potente. Il ciclo di lavoro è controllato dal potenziometro R2. Ulteriori informazioni sull'utilizzo del timer 555 in modalità astabile qui.

Questo circuito può essere sostituito da qualsiasi altra sorgente PWM come un Arduino.

2. Gate Driver

Il gate driver è un TC4427 standard a due canali, con sink / source da 1,5 A per canale. Qui, entrambi i canali sono stati messi in parallelo per una maggiore corrente di pilotaggio. Di nuovo, se la frequenza è più alta, il gate driver deve essere più potente.

L'interruttore SPDT viene utilizzato per selezionare la gamba del ponte ad H che controlla la direzione.

3. H-Bridge

Questa è la parte funzionante del circuito che controlla il motore. I gate MOSFET sono normalmente abbassati dal resistore di pulldown. Ciò si traduce nell'accensione di entrambi i MOSFET a canale P, ma questo non è un problema poiché non può fluire corrente. Quando il segnale PWM viene applicato ai gate di una gamba, i MOSFET a canale N e P vengono accesi e spenti alternativamente, controllando l'alimentazione.

Suggerimenti per la costruzione del circuito H-Bridge

Il più grande vantaggio di questo circuito è che può essere scalato per pilotare motori di tutte le dimensioni, e non solo motori - qualsiasi altra cosa che necessiti di un segnale di corrente bidirezionale, come gli inverter a onda sinusoidale.

Quando si utilizza questo circuito anche a basse potenze, è necessario un corretto disaccoppiamento localizzato a meno che non si desideri che il circuito sia glitch.

Inoltre, se si costruisce questo circuito su una piattaforma più permanente come un PCB, si consiglia un grande piano di massa, mantenendo le parti a bassa corrente lontane dai percorsi ad alta corrente.

Quindi questo semplice circuito H-Bridge è la soluzione per molti problemi di guida del motore come bidirezionalmente, gestione della potenza ed efficienza.