Главная Коммерческие Обозначение на схемах радиодеталей. Драйверы L293D, L298, TB6612 – H-мост управления двигателем Управление h мостом

Обозначение на схемах радиодеталей. Драйверы L293D, L298, TB6612 – H-мост управления двигателем Управление h мостом

Содержание:

Начинающие радиолюбители нередко сталкиваются с такой проблемой, как обозначение на схемах радиодеталей и правильное прочтение их маркировки. Основная трудность заключается в большом количестве наименований элементов, которые представлены транзисторами, резисторами, конденсаторами, диодами и другими деталями. От того, насколько правильно прочитана схема, во многом зависит ее практическое воплощение и нормальная работа готового изделия.

Резисторы

К резисторам относятся радиодетали, обладающие строго определенным сопротивление протекающему через них электрическому току. Данная функция предназначена для понижения тока в цепи. Например, чтобы лампа светила менее ярко, питание на нее подается через резистор. Чем выше сопротивление резистора, тем меньше будет свечение лампы. У постоянных резисторов сопротивление остается неизменным, а переменные резисторы могут изменять свое сопротивление от нулевого значения до максимально возможной величины.

Каждый постоянный резистор обладает двумя основными параметрами - мощностью и сопротивлением. Значение мощности указывается на схеме не буквенными или цифровыми символами, а с помощью специальных линий. Сама мощность определяется по формуле: P = U x I, то есть равна произведению напряжения и силы тока. Данный параметр имеет важное значение, поскольку тот или иной резистор может выдержать лишь определенное значение мощности. Если это значение будет превышено, элемент просто сгорит, так как во время прохождения тока по сопротивлению происходит выделение тепла. Поэтому на рисунке каждые линии, нанесенные на резистор, соответствуют определенной мощности.

Существуют и другие способы обозначения резисторов на схемах:

На принципиальных схемах обозначается порядковый номер в соответствии с расположением (R1) и значение сопротивления, равное 12К. Буква «К» является кратной приставкой и обозначает 1000. То есть, 12К соответствует 12000 Ом или 12 килоом. Если в маркировке присутствует буква «М», это указывает на 12000000 Ом или 12 мегаом.
В маркировке с помощью букв и цифр, буквенные символы Е, К и М соответствуют определенным кратным приставкам. Так буква Е = 1, К = 1000, М = 1000000. Расшифровка обозначений будет выглядеть следующим образом: 15Е - 15 Ом; К15 - 0,15 Ом - 150 Ом; 1К5 - 1,5 кОм; 15К - 15 кОм; М15 - 0,15М - 150 кОм; 1М2 - 1,5 мОм; 15М - 15мОм.
В данном случае используются только цифровые обозначения. Каждое включает в себя три цифры. Первые две из них соответствуют значению, а третья - множителю. Таким образом, к множителям относятся: 0, 1, 2, 3 и 4. Они означают количество нулей, добавляемых к основному значению. Например, 150 - 15 Ом; 151 - 150 Ом; 152 - 1500 Ом; 153 - 15000 Ом; 154 - 120000 Ом.

Постоянные резисторы

Название постоянных резисторов связано с их номинальным сопротивлением, которое остается неизменным в течение всего периода эксплуатации. Они различаются между собой в зависимости от конструкции и материалов.

Проволочные элементы состоят из металлических проводов. В некоторых случаях могут использоваться сплавы с высоким удельным сопротивлением. Основой для намотки проволоки служит керамический каркас. Данные резисторы обладают высокой точностью номинала, а серьезным недостатком считается наличие большой собственной индуктивности. При изготовлении пленочных металлических резисторов, на керамическое основание напыляется металл, обладающий высоким удельным сопротивлением. Благодаря своим качествам, такие элементы получили наиболее широкое распространение.

Конструкция угольных постоянных резисторов может быть пленочной или объемной. В данном случае используются качества графита, как материала с высоким удельным сопротивлением. Существуют и другие резисторы, например, интегральные. Они применяются в специфических интегральных схемах, где использование других элементов не представляется возможным.

Переменные резисторы

Начинающие радиолюбители нередко путают переменный резистор с конденсатором переменной емкости, поскольку внешне они очень похожи друг на друга. Тем не менее, у них совершенно разные функции, а также имеются существенные отличия в отображении на принципиальных схемах.

В конструкцию переменного резистора входит ползунок, вращающийся по резистивной поверхности. Его основной функцией является подстройка параметров, заключающаяся в изменении внутреннего сопротивления до нужного значения. На этом принципе основана работа регулятора звука в аудиотехнике и других аналогичных устройствах. Все регулировки осуществляются за счет плавного изменения напряжения и тока в электронных устройствах.

Основным параметром переменного резистора является сопротивление, способное изменяться в определенных пределах. Кроме того, он обладает установленной мощностью, которую должен выдерживать. Этими качествами обладают все типы резисторов.

На отечественных принципиальных схемах элементы переменного типа обозначаются в виде прямоугольника, на котором отмечены два основных и один дополнительный вывод, располагающийся вертикально или проходящих сквозь значок по диагонали.

На зарубежных схемах прямоугольник заменен изогнутой линией с обозначением дополнительного вывода. Рядом с обозначением ставится английская буква R с порядковым номером того или иного элемента. Рядом проставляется значение номинального сопротивления.

Соединение резисторов

В электронике и электротехнике довольно часто используются соединения резисторов в различных комбинациях и конфигурациях. Для большей наглядности следует рассматривать отдельный участок цепи с последовательным, параллельным и .

При последовательном соединении конец одного резистора соединяется с началом следующего элемента. Таким образом, все резисторы подключаются друг за другом, и по ним протекает общий ток одинакового значения. Между начальной и конечной точкой существует только один путь для протекания тока. С возрастанием количества резисторов, соединенных в общую цепь, происходит соответствующий рост общего сопротивления.

Параллельным считается такое соединение, когда начальные концы всех резисторов объединяются в одной точке, а конечные выходы - в другой точке. Течение тока происходит по каждому, отдельно взятому резистору. В результате параллельного соединения с увеличением числа подключенных резисторов, возрастает и количество путей для протекания тока. Общее сопротивление на таком участке уменьшается пропорционально количеству подключенных резисторов. Оно всегда будет меньше, чем сопротивление любого резистора, подключенного параллельно.

Чаще всего в радиоэлектронике используется смешанное соединение, представляющее собой комбинацию параллельного и последовательного вариантов.

На представленной схеме параллельно соединяются резисторы R2 и R3. Последовательное соединение включает в себя резистор R1, комбинацию R2 и R3 и резистор R4. Для того чтобы рассчитать сопротивление такого соединения, вся цепь разбивается на несколько простейших участков. После этого значения сопротивлений суммируются и получается общий результат.

Полупроводники

Стандартный полупроводниковый диод состоит из двух выводов и одного выпрямляющего электрического перехода. Все элементы системы объединяются в общем корпусе из керамики, стекла, металла или пластмассы. Одна часть кристалла называется эмиттером, в связи с высокой концентрацией примесей, а другая часть, с низкой концентрацией, именуется базой. Маркировка полупроводников на схемах отражает их конструктивные особенности и технические характеристики.

Для изготовления полупроводников используется германий или кремний. В первом случае удается добиться более высокого коэффициента передачи. Элементы из германия отличаются повышенной проводимостью, для которой достаточно даже невысокого напряжения.

В зависимости от конструкции, полупроводники могут быть точечными или плоскостными, а по технологическим признакам они бывают выпрямительными, импульсными или универсальными.

Конденсаторы

Конденсатор представляет собой систему, включающую два и более электродов, выполненных в виде пластин - обкладок. Они разделяются диэлектриком, который значительно тоньше, чем обкладки конденсатора. Все устройство имеет взаимную емкость и обладает способностью к сохранению электрического заряда. На простейшей схеме конденсатор представлен в виде двух параллельных металлических пластин, разделенных каким-либо диэлектрическим материалом.

На принципиальной схеме рядом с изображением конденсатора указывается его номинальная емкость в микрофарадах (мкФ) или пикофарадах (пФ). При обозначении электролитических и высоковольтных конденсаторов, после номинальной емкости указывается значение максимального рабочего напряжения, измеряемого в вольтах (В) или киловольтах (кВ).

Переменные конденсаторы

Для обозначения конденсаторов с переменной емкостью используются два параллельных отрезка, которые пересекает наклонная стрелка. Подвижные пластины, подключаемые в определенной точке схемы, изображаются в виде короткой дуги. Возле нее проставляется обозначение минимальной и максимальной емкости. Блок конденсаторов, состоящий из нескольких секций, объединяется с помощью штриховой линии, пересекающей знаки регулировки (стрелки).

Обозначение подстроечного конденсатора включает в себя наклонную линию со штрихом на конце вместо стрелки. Ротор отображается в виде короткой дуги. Другие элементы - термоконденсаторы обозначаются буквами СК. В его графическом изображении возле знака нелинейной регулировки проставляется температурный символ.

Постоянные конденсаторы

Широко используются графические обозначения конденсаторов с постоянной емкостью. Они изображаются в виде двух параллельных отрезков и выводов из середины каждого из них. Возле значка проставляется буква С, после нее - порядковый номер элемента и с небольшим интервалом - числовое обозначение номинальной емкости.

При использовании в схеме конденсатора с , вместо его порядкового номера наносится звездочка. Значение номинального напряжения указывается лишь для цепей с высоким напряжением. Это касается всех конденсаторов, кроме электролитических. Цифровой символ напряжения проставляется после обозначения емкости.

Соединение многих электролитических конденсаторов требует соблюдения полярности. На схемах для обозначения положительной обкладки используется значок «+» либо узкий прямоугольник. При отсутствии полярности узкими прямоугольниками помечаются обе обкладки.

Диоды и стабилитроны

Диоды относятся к простейшим полупроводниковым приборам, функционирующим на основе электронно-дырочного перехода, известного как p-n-переход. Свойство односторонней проводимости наглядно передается на графических обозначениях. Стандартный диод изображается в виде треугольника, символизирующего анод. Вершина треугольника указывает направление проводимости и упирается в поперечную черту, обозначающую катод. Все изображение пересекается по центру линией электрической цепи.

Для используется буквенное обозначение VD. Оно отображает не только отдельные элементы, но и целые группы, например, . Тип того или иного диода указывается возле его позиционного обозначения.

Базовый символ применяется и для обозначения стабилитронов, представляющих собой полупроводниковые диоды с особыми свойствами. В катоде присутствует короткий штрих, направленный в сторону треугольника, символизирующего анод. Данный штрих располагается неизменно, независимо от положения значка стабилитрона на принципиальной схеме.

Транзисторы

У большинства радиоэлектронных компонентов имеется лишь два вывода. Однако такие элементы как транзисторы оборудованы тремя выводами. Их конструкции отличаются разнообразными типами, формами и размерами. Общие принципы работы у них одинаковые, а небольшие отличия связаны с техническими характеристиками конкретного элемента.

Транзисторы используются преимущественно в качестве электронных коммутаторов для включения и выключения различных устройств. Основное удобство таких приборов заключается в возможности коммутировать большое напряжение с помощью источника малого напряжения.

По своей сути каждый транзистор является полупроводниковым прибором, с помощью которого генерируются, усиливаются и преобразуются электрические колебания. Наибольшее распространение получили биполярные транзисторы с одинаковой электропроводностью эмиттера и коллектора.

На схемах они обозначаются буквенным кодом VT. Графическое изображение представляет собой короткую черточку, от середины которой отходит линия. Данный символ обозначает базу. К ее краям проводятся две наклонные линии под углом 60 0 , отображающие эмиттер и коллектор.

Электропроводность базы зависит от направления стрелки эмиттера. Если она направлена в сторону базы, то электропроводность эмиттера - р, а у базы - n. При направлении стрелки в противоположную сторону, эмиттер и база меняют электропроводность на противоположное значение. Знание электропроводности необходимо для правильного подключения транзистора к источнику питания.

Для того чтобы обозначение на схемах радиодеталей транзистора было более наглядным, оно помещается в кружок, означающий корпус. В некоторых случаях выполняется соединение металлического корпуса с одним из выводов элемента. Такое место на схеме отображается в виде точки, проставляемой там, где вывод пересекается с символом корпуса. Если же на корпусе имеется отдельный вывод, то линия, обозначающая вывод, может подсоединяться к кружку без точки. Возле позиционного обозначения транзистора указывается его тип, что позволяет существенно повысить информативность схемы.

Буквенные обозначение на схемах радиодеталей

Основное обозначение	Наименование элемента	Дополнительное обозначение	Вид устройства
	Устройство		Регулятор тока
			Блок реле
			Устройство
	Преобразователи		Громкоговоритель

			Датчик тепловой
			Фотоэлемент
			Микрофон
			Звукосниматель
	Конденсаторы		Батарея конденсаторов силовая
			Блок конденсаторов зарядный
	Интегральные схемы, микросборки		ИС аналоговая
			ИС цифровая, логический элемент
	Элементы разные		Теплоэлектронагреватель
			Лампа осветительная
	Разрядники, предохранители, устройства защитные		Дискретный элемент защиты по току мгновенного действия
			То же, по току инерционного действия
			Предохранитель плавкий
			Разрядник
	Генераторы, источники питания		Батарея аккумуляторов
			Синхронный компенсатор
			Возбудитель генератора
	Устройства индикационные и сигнальные		Прибор звуковой сигнализации
			Индикатор
			Прибор световой сигнализации
			Табло сигнальное
			Лампа сигнальная с зеленой линзой
			Лампа сигнальная с красной линзой
			Лампа сигнальная с белой линзой
			Индикаторы ионные и полупроводниковые
	Реле, контакторы, пускатели		Реле токовое
			Реле указательное
			Реле электротепловое
			Контактор, магнитный пускатель
			Реле времени
			Реле напряжения
			Реле команды включения
			Реле команды отключения
			Реле промежуточное
	Катушки индуктивности, дроссели		Дроссель люминесцентного освещения


			Измеритель времени действия, часы
			Вольтметр
			Ваттметр
	Выключатели и разъединители силовые		Выключатель автоматический
	Резисторы		Терморезистор
			Потенциометр
			Шунт измерительный
			Варистор

	Устройство коммутации в цепях управления, сигнализации и измерительных цепях		Выключатель или переключатель
			Выключатель кнопочный
			Выключатель автоматический
	Автотрансформаторы		Трансформатор тока
			Трансформаторы напряжения
	Преобразователи		Модулятор
			Демодулятор
			Блок питания
			Преобразователь частоты
	Приборы электровакуумные и полупроводниковые		Диод, стабилитрон
			Прибор электровакуумный
			Транзистор
			Тиристор
	Соединители контактные		Токосъемник


			Соединитель высокочастотный
	Устройства механические с электромагнитным приводом		Электромагнит
			Замок электромагнитный

Практически в каждом устройстве, которое можно назвать роботом применяются различные типы двигателей и, как правило, большинство из них являются двигателями постоянного тока. Важно особенностью, из-за которой используются двигатели постоянного тока, является возможность осуществления вращения в противоположные стороны. Для осуществления этого используют H-мост.

В двигателях постоянного тока, чтобы изменить направление вращения достаточно поменять полярность питания, то есть, проще говоря, поменять плюс с минусом. Из-за этого ток начинает течь в обратном направлении, что приводит к изменению магнитного потока внутри двигателя, в результате чего вал двигателя вращается в обратную сторону. Анимация ниже показывает, по какому принципу работает H-мост:

H-мост управления двигателем

Легко заметить, что изменение направления тока приводит к изменению направления вращения двигателя. Вместо этих переключателей можно собрать H-мост на транзисторах и управлять ими с помощью микроконтроллера.

Как правило, для двигателей большой мощности H-мост строится на MOSFET транзисторах. Когда-то такие H-мосты были очень популярны по экономическим соображениям, поскольку транзисторы дешевле, чем микросхема. Их часто можно встретить в бюджетных игрушечных автомобилях с дистанционным управлением.

Однако на рынке уже не один год существуют специализированные микросхемы H-мостов. Они со временем становятся все дешевле и имеют больше возможностей и безопасности. Одной из таких простых микросхем является L293D.

Это простой драйвер электродвигателя, содержащий в себе два H-моста, имеет возможность управления двигателем путем ШИМ.

Назначения выводов драйвера L293D:

1,2 EN, 3,4 EN – служат для управления сигналом ШИМ.
1А, 2А, 3А, 4А – вход управления направлением вращения электродвигателя.
1Y, 2Y, 3Y, 4Y – выходы питающие двигатель.
Vcc1 – вывод питания логики контроллера +5В
Vcc2 – вывод для питания двигателей от +4.5В до +36В.

То как происходит управление L293D показано в таблице ниже:

Когда на входе А и EN присутствует высокий уровень, то на выходе с тем же номером так же будет высокий уровень. Когда на входе A будет низкий и на EN высокий уровень, то на выходе мы получим низкое состояние. Подавая сигнал низкого уровня на EN, на выходе будет состояние высокого импеданса, в не зависимости от того какой сигнал будет на входе А.

Таким образом, мы можем контролировать направление движения тока, в результате чего у нас есть возможность изменять направление вращения электродвигателя.

Технические характеристики L293D:

Напряжение питания: +5В.
Напряжение питания двигателей: от +4.5 в до +36В.
Выходной ток: 600мА.
Максимальный выходной ток (в импульсе) 1,2А.
Рабочая температура от 0°C до 70°C.

Другой популярной микросхемой является L298. Она значительно мощнее, чем описанная ранее L293D. Микросхема L298 так же имеет в своем составе два H-моста и также поддерживает ШИМ.

Назначение выводов L298 очень похоже на L293D. Здесь так же есть два входа управления, входы EN и выходы на двигатель. Vss — это питание микросхемы, а Vs — это питание для двигателей.

Есть так же и различие, а именно выводы CURRENT SENSING, которые служат для измерения тока потребления двигателей. Эти выводы следует подключить к массе питания через небольшой резистор, примерно 0,5 Ом.
Ниже приведена схема подключения L298:

В данной схеме стоит обратить внимание на внешние диоды, подключенные к выводам электродвигателя. Они служат для отвода индукционных всплесков в двигателе, которые возникают во время торможения и изменения направления вращения. Их отсутствие может привести к повреждению микросхемы. В драйвере L293D эти диоды уже имеются внутри самой микросхемы.

Технические характеристики L298:

Напряжение питания:+5В.
Напряжение питания двигателей: до +46В.
Максимальный ток, потребляемый двигателями: 4A.

Следующая микросхема H-моста – эта TB6612, новый драйвер с очень хорошими характеристиками, набирающий все большую популярность.

Вы можете заметить, что все эти драйверы электродвигателей одинаковы в управлении, но в TB6612 выходы спарены, из-за большой мощности.
Максимальное напряжение питания TB6612 составляет 15В, а максимальный ток 1,2 А. При этом максимальный импульсный ток составляет 3,2A.

Двигатели есть практически в каждом роботе. В одних роботах они приводят в действие колеса, заставляя машину перемещаться в нужном направлении. В других — двигатели крутят пропеллеры, создавая вертикальную тягу для полета. Двигатели позволяют вращаться суставам промышленного робота-манипулятора, и перемещают каретку 3D-принтера. В общем, без хорошего двигателя робота не сделать. Существует множество типов двигателей. К самым распространенным в робототехнике можно отнести двигатель постоянного тока, шаговый двигатель, и бесколлекторный двигатель. У каждого типа есть свои особенности, плюсы и минусы. Одни больше подходят для точных перемещений, другие позволяют легко поднять в небо мультикоптер. Под каждый проект нужно тщательно выбирать нужный тип двигателей. На этом уроке мы разберем, как управлять двигателем постоянного тока (DC Motor). Двигатели этого типа части применяются в роботах на колесных и гусеничных платформах. И начнем мы с самого простого способа управления.

1. Транзистор

Каждый начинающий робототехник сталкивается с проблемой подключения двигателя к микроконтроллеру. Пройдя кажется, что с двигателем можно поступить точно также: подключить его к цифровым выводам Ардуино , а затем включать и выключать по программе. Но не тут-то было. Даже небольшой двигатель, часто используемый в разного рода игрушках, для своей работы требует ток силой от 200 мА до 1 Ампера. А цифровой выход Arduino может дать нам только 20мА. Большинству мощных двигателей требуется напряжение более 5 Вольт, привычных для Ардуино. Распространены двигатели на 12, на 24 и на 48 Вольт. Другими словами, Ардуино очень слаба для прямого управления двигателями. Нужен какой-то мощный посредник! Самый простой посредник — это транзистор. Подойдут и полевые транзисторы, и биполярные, работающие в режиме ключа. Ниже представлена схема управления двигателем при помощи биполярного NPN транзистора.

Как видим, схема очень простая. Подаем на базу транзистора слабый сигнал от Arduino через резистор 1кОм, вследствие чего транзистор открывает мощный канал, по которому ток проходит от плюса к минусу, через двигатель. По сути, мы получили примитивный драйвер двигателя ! В цепи обязательно нужно поставить защитный диод, например 1N4001 или 1N4007. Этот диод не даст сгореть транзистору и контроллеру в момент остановки двигателя, когда ЭДС самоиндукции создаст на обмотках скачок напряжения. В этой схеме можем использовать NPN транзистор 2N2222A. Этот биполярный транзистор может управлять током до 1А и напряжением до 40В, так что его можно вполне использовать для небольших моторов. Российский аналог данного транзистора — КТ315. С помощью одного транзистора мы можем включать и выключать двигатель постоянного тока в одном направлении. Но колесный робот должен передвигаться и в одну сторону, и в другую. Что делать? Нужен более продвинутый драйвер.

2. H-мост

Составив транзисторы определенным образом, мы получим устройство для управления вращением двигателя в обе стороны. Такое устройство называется H-мост . Вот так выглядит H-мост на биполярных транзисторах:

INA и INB на рисунке — это вход слабых управляющих сигналов. В случае Ардуино, на них необходимо подавать либо 0 (земля) либо +5В. VCC — это питание двигателей, оно может быть во много раз выше напряжения управляющего сигнала. GND — это земля, общая для Ардуино и H-моста. В зависимости от того, на какой из входов мы подаем положительный сигнал, двигатель будет крутиться в одну или в другу сторону. Как правило, в схему драйвера двигателя постоянного тока помимо самого H-моста, добавляют защитные диоды, фильтры, опторазвязки и прочие улучшения.

3. Микросхема драйвера L293D

Разумеется, необязательно собирать драйвер двигателя вручную из отдельных транзисторов. Существует множество готовых микросхем, которые позволяют управлять разными типами двигателей. Мы рассмотри распространенный драйвер L293D .

Микросхема представляет собой два H-моста, а значит можно управлять сразу двумя двигателями. Каждый мост снабжен четырьмя защитными диодами и защитой от перегрева. Максимальный ток, который может передать L293D на двигатель — 1.2А. Рабочий ток — 600мА. Максимальное напряжение — 36 В.

4. Подключение

Микросхема L293D имеет DIP корпус с 16-ю выводами. Схема выводов ниже.

Помним, что отсчет выводов ведется против часовой стрелки и начинается от выемки в корпусе микросхемы.

+V — питание микросхема, 5В;
+Vmotor — питание двигателей, до 36В;
0V — земля;
En1, En2 — выводы включения/выключения H-мостов;
In1, In2 — управляющие выводы первого H-моста;
Out1, Out2 — выводы для подключения первого двигателя;
In3, In4 — управляющие выводы второго H-моста;
Out3, Out4 — выводы для подключения второго двигателя.

Выводы En1 и En2 служат для отключения или включения мостов. Если мы подаем 0 на En, соответствующий мост полностью выключается и двигатель перестает вращаться. Эти сигналы пригодятся нам для управления тягой двигателя при помощи ШИМ сигнала. Схема подключения к Ардуино Уно

Драйвер L293D	In1	In2	In3	In4	En1	En2	V+	Vmotor+	0V
Arduino Uno	7	8	2	3	6	5	+5V	+5V	GND

Для пример, подключим по этой схеме всего один двигатель. Задействуем выводы драйвера In3, In4 и En2. Принципиальная схема подключения будет выглядеть следующим образом:

Внешний вид макета

5. Программа

Напишем простую программу, которая будет вращать двигатель, меняя направление каждую секунду. const int in3 = 2; const int in4 = 3; const int en2 = 5; void setup() { pinMode(in3, OUTPUT); pinMode(in4, OUTPUT); pinMode(en2, OUTPUT); analogWrite(en2, 255); } void loop() { digitalWrite(in3, LOW); digitalWrite(in4, HIGH); delay(1000); digitalWrite(in3, HIGH); digitalWrite(in4, LOW); delay(1000); } Функция analogWrite с помощью ШИМ сигнала управляет мощностью двигателя. В этой программе мы командуем драйверу вращать двигатель с максимальной скоростью, что соответствует ШИМ сигналу — 255. Здесь следует отметить, что уменьшение ШИМ сигнала в два раза не даст в два раза меньшую скорость. Скорость и тяга двигателей постоянного тока зависят от входного напряжения нелинейно. Теперь усложним программу. Будем кроме направления менять еще и мощность. const int in3 = 2; const int in4 = 3; const int en2 = 5; void setup() { pinMode(in3, OUTPUT); pinMode(in4, OUTPUT); pinMode(en2, OUTPUT); } void loop() { digitalWrite(in3, HIGH); digitalWrite(in4, LOW); analogWrite(en2, 150); delay(2000); analogWrite(en2, 255); delay(2000); digitalWrite(in3, LOW); digitalWrite(in4, HIGH); analogWrite(en2, 150); delay(2000); analogWrite(en2, 255); delay(2000); } Вот что получится в итоге. Сначала мотор вращается с небольшой скоростью, затем выходит на максимальные обороты, и повторяет все в обратном направлении. На видео мы крутим распространенный двигатель постоянного тока CH1 с колесом. Такие часто применяют в учебных роботах.

Задания

Теперь, когда стало немного понятнее как управлять обычными двигателями постоянного тока, попробуем выполнить несколько заданий на базе самого простого робота на двух колесах.

Собрать драйвер на основе одного NPN транзистора, и вращать с помощью него мотор.
Управлять сразу двумя моторами при помощи L293D, передавая на них разную мощность.
Собрать колесного робота, и заставить его двигаться по окружности.
Заставить колесного робота двигаться по спирали.

В следующем уроке на тему двигателей изучим работу энкодеров, которые позволят сделать управление более точным и помогут сделать сервопривод своими руками.

Электронные трансформаторы приходят на смену громоздким трансформаторам со стальным сердечником. Сам по себе электронный трансформатор, в отличие от классического, представляет собой целое устройство - преобразователь напряжения.

Применяются такие преобразователи в освещении для питания галогенных ламп на 12 вольт. Если вы ремонтировали люстры с пультом управления , то, наверняка, встречались с ними.

Вот схема электронного трансформатора JINDEL (модель GET-03 ) с защитой от короткого замыкания.

Основными силовыми элементами схемы являются n-p-n транзисторы MJE13009 , которые включены по схеме полумост. Они работают в противофазе на частоте 30 - 35 кГц. Через них прокачивается вся мощность, подаваемая в нагрузку - галогенные лампы EL1...EL5. Диоды VD7 и VD8 необходимы для защиты транзисторов V1 и V2 от обратного напряжения. Симметричный динистор (он же диак) необходим для запуска схемы.

На транзисторе V3 (2N5551 ) и элементах VD6, C9, R9 - R11 реализована схема защиты от короткого замыкания на выходе (short circuit protection ).

Если в выходной цепи произойдёт короткое замыкание, то возросший ток, протекающий через резистор R8, приведёт к срабатыванию транзистора V3. Транзистор откроется и заблокирует работу динистора DB3, который запускает схему.

Резистор R11 и электролитический конденсатор С9 предотвращают ложное срабатывание защиты при включении ламп. В момент включения ламп нити холодные, поэтому преобразователь выдаёт в начале пуска значительный ток.

Для выпрямления сетевого напряжения 220V используется классическая мостовая схема из 1,5-амперных диодов 1N5399 .

В качестве понижающего трансформатора используется катушка индуктивности L2. Она занимает почти половину пространства на печатной плате преобразователя.

В силу своего внутреннего устройства, электронный трансформатор не рекомендуется включать без нагрузки. Поэтому, минимальная мощность подключаемой нагрузки составляет 35 - 40 ватт. На корпусе изделия обычно указывается диапазон рабочих мощностей. Например, на корпусе электронного трансформатора, что на первой фотографии указан диапазон выходной мощности: 35 - 120 ватт. Минимальная мощность нагрузки его составляет 35 ватт.

Галогенные лампы EL1...EL5 (нагрузку) лучше подключать к электронному трансформатору проводами не длиннее 3 метров. Так как через соединительные проводники протекает значительный ток, то длинные провода увеличивают общее сопротивление в цепи. Поэтому лампы, расположенные дальше будут светить тусклее, чем те, которые расположены ближе.

Также стоит учитывать и то, что сопротивление длинных проводов способствует их нагреву из-за прохождения значительного тока.

Стоит также отметить, что из-за своей простоты электронные трансформаторы являются источниками высокочастотных помех в сети. Обычно, на входе таких устройств ставится фильтр , который блокирует помехи. Как видим по схеме, в электронных трансформаторах для галогенных ламп нет таких фильтров. А вот в компьютерных блоках питания, которые собираются также по схеме полумоста и с более сложным задающим генератором, такой фильтр, как правило, монтируется.

В различных электронных схемах часто возникает необходимость менять полярность напряжения, прикладываемого к нагрузке, в процессе работы. Схемотехника таких устройств реализуется с помощью ключевых элементов. Ключи могут быть выполнены на переключателях, электромагнитных реле или полупроводниковых приборах. Н-мост на транзисторах позволяет с помощью управляющих сигналов переключать полярность напряжения поступающего на исполнительное устройство.

В различных электронных игрушках, некоторых бытовых приборах и робототехнике используются коллекторные электродвигатели постоянного тока, а также двухполярные шаговые двигатели. Часто для выполнения какого-либо алгоритма нужно с помощью электрического сигнала быстро поменять полярность питающего напряжения с тем, чтобы двигатель технического устройства стал вращаться в противоположную сторону. Так робот-пылесос, наткнувшись на стену, мгновенно включает реверс и задним ходом отъезжает от препятствия. Такой режим реализуется с помощью Н-моста. Схема Н-моста позволяет так же изменять скорость вращения электродвигателя. Для этого на один из двух ключей подаются импульсы от широтно-импульсного модулятора (ШИМ).

Схемой управления режимами двигателя является h-мост. Это несложная электронная схема, которая может быть выполнена на следующих элементах:

Биполярные транзисторы
Полевые транзисторы
Интегральные микросхемы

Основным элементом схемы является электронный ключ. Принципиальная схема моста напоминает латинскую букву «Н», отсюда название устройства. В схему входят 4 ключа расположенных попарно, слева и справа, а между ними включена нагрузка.

На схеме видно, что переключатели должны включаться попарно и по диагонали. Когда включен 1 и 4 ключ, электродвигатель вращается по часовой стрелке. 2 и 3 ключи обеспечивают работу двигателя в противоположном направлении. При включении двух ключей по вертикали слева или справа произойдёт короткое замыкание. Каждая пара по горизонтали закорачивает обмотки двигателя и вращения не произойдёт. На следующем рисунке проиллюстрировано, что происходит, когда мы меняем положение переключателей:

Если мы заменем в схеме переключатели на транзисторы, то получим такой вот (крайне упрощенный) вариант:

Для того чтобы исключить возможное короткое замыкание h-мост на транзисторах дополняется входной логикой, которая исключает появление короткого замыкания. В современных электронных устройствах мостовые схемы изменения полярности дополняются устройствами, обеспечивающими плавное и медленное торможение перед включением реверсного режима.

Н-мост на биполярных транзисторах

Транзисторы в ключевых схемах работают по принципу вентилей в режиме «открыт-закрыт», поэтому большая мощность на коллекторах не рассеивается, и тип применяемых транзисторов определяется, в основном, питающим напряжением. Несложный h-мост на биполярных транзисторах можно собрать самостоятельно на кремниевых полупроводниковых приборах разной проводимости.

H-мост на биполярных транзисторах

Такое устройство позволяет управлять электродвигателем постоянного тока небольшой мощности. Если использовать транзисторы КТ816 и КТ817 с индексом А, то напряжение питания не должно превышать 25 В. Аналогичные транзисторы с индексами Б или Г допускают работу с напряжением до 45 В и током не превышающим 3 А. Для корректной работы схемы транзисторы должны быть установлены на радиаторы. Диоды обеспечивают защиту мощных транзисторов от обратного тока. В качестве защитных диодов можно использовать КД105 или любые другие, рассчитанные на соответствующий ток.

Недостатком такой схемы является то, что нельзя подавать на оба входа высокий потенциал, так как открытие обоих ключей одновременно вызовет короткое замыкание источника питания. Для исключения этого в интегральных мостовых схемах предусматривается входная логика, полностью исключающая некорректную комбинацию входных сигналов.

Схему моста можно изменить, поставив в неё более мощные транзисторы.

Н-мост на полевых транзисторах

Кроме использования биполярных транзисторов в мостовых схемах управления питанием, можно использовать полевые (MOSFET) транзисторы. При выборе полупроводниковых элементов обычно учитывается напряжение, ток нагрузки и частота переключения ключей, при использовании широтно-импульсной модуляции. Когда полевой транзистор работает в ключевом режиме, у него присутствуют только два состояния – открыт и закрыт. Когда ключ открыт, то сопротивление канала ничтожно мало и соответствует резистору очень маленького номинала. При подборе полевых транзисторов для ключевых схем следует обращать внимание на этот параметр. Чем больше это значение, тем больше энергии теряется на транзисторе. При минимальном сопротивлении канала выше КПД моста и лучше его температурные характеристики.

Дополнительным негативным фактором является зависимость сопротивления канала от температуры. С увеличением температуры этот параметр заметно растёт, поэтому при использовании мощных полевых транзисторов следует предусмотреть соответствующие радиаторы или активные схемы охлаждения. Поскольку подбор полевых транзисторов для моста связан с определёнными сложностями, гораздо лучше использовать интегральные сборки. В каждой находится комплементарная пара из двух мощных MOSFET транзисторов, один из которых с P каналом, а другой с N каналом. Внутри корпуса также установлены демпферные диоды, предназначенные для защиты транзисторов.

В конструкции использованы следующие элементы:

VT 1,2 – IRF7307
DD 1 – CD4093
R 1=R 2= 100 ком

Интегральные микросхемы с Н-мостом

В ключах Н-моста желательно использовать комплементарные пары транзисторов разной проводимости, но с одинаковыми характеристиками. Этому условию в полной мере отвечают интегральные микросхемы, включающие в себя один, два или более h-мостов. Такие устройства широко применяются в электронных игрушках и робототехнике. Одной из самых простых и доступных микросхем является L293D. Она содержит два h-моста, которые позволяют управлять двумя электродвигателями и допускают управление от ШИМ контроллера. Микросхема имеет следующие характеристики:

Питание – + 5 В
Напряжение питания электромотора – + 4,5-36 В
Выходной номинальный ток – 500 мА
Ток в импульсе – 1,2 А

Микросхема L298 так же имеет в своём составе два h-моста, но гораздо большей мощности. Максимальное напряжение питания, подаваемое на двигатель, может достигать + 46 В, а максимальный ток соответствует 4,0 А. Н-мост TB6612FNG допускает подключение двух коллекторных двигателей или одного шагового. Ключи выполнены на MOSFET транзисторах и имеют защиту по превышению температуры, перенапряжению и короткому замыканию. Номинальный рабочий ток равен 1,2 А, а максимальный пиковый – 3,2 А. Максимальная частота широтно-импульсной модуляции не должна превышать 100 кГц.

Мостовые устройства управления электродвигателями часто называют драйверами. Драйверами так же называют микросхемы, только обеспечивающие управление мощными ключевыми каскадами. Так в схеме управления мощным электродвигателем используется драйвер HIP4082. Он обеспечивает управление ключами, собранными на дискретных элементах. В них используются MOSFET транзисторы IRF1405 с N-каналами. Компания Texas Instruments выпускает большое количество интегральных драйверов предназначенных для управления электродвигателями разных конструкций. К ним относятся:

Драйверы для шаговых двигателей – DRV8832, DRV8812, DRV8711
Драйверы для коллекторных двигателей – DRV8816, DRV8848, DRV8412/32
Драйверы для бесколлекторных двигателей – DRV10963, DRV11873, DRV8332

На рынке имеется большой выбор интегральных мостовых схем для управления любыми электродвигателями. Сделать конструкцию можно и самостоятельно, применив качественные дискретные элементы.