H-мост (Troyka-модуль): инструкция, схемы и примеры использования

H-мост (Troyka-модуль) служит для управления скоростью и направлением вращения коллекторных моторов в компактных проектах.

Видеообзор

Принцип работы H-моста

Термин «H-мост» появился благодаря графическому изображению этой схемы, напоминающему букву «Н». H-мост состоит из 4 ключей. В зависимости от текущего состояние переключателей возможно разное состояние мотора.

Подключение и настройка

H-мост (Troyka-модуль) общается с управляющей электроникой по 2 сигнальным проводам D и E — скорость и направления вращения двигателя.

Мотор подключается к клеммам M+ и M— . А источник питания для мотора подключается своими контактами к колодкам под винт P . Положительный контакт источника питания подключается к контакту P+, а отрицательный — к контакту P— .

При подключении к Arduino или Iskra JS удобно использовать Troyka Shield. С Troyka Slot Shield можно обойтись без лишних проводов.

Примеры работы

Приступим к демонстрации возможностей. Схема подключения — на картинке выше. Управляющая плата запитана через USB или внешний разъём питания.

Примеры для Arduino

Для начала покрутим мотор в течении трёх секунд в одну, а затем другую сторону.

Усовершенствуем эксперимент: заставим мотор плавно разгоняться до максимума и останавливаться в одном направлении, а затем в другом.

Пример для Iskra JS

Элементы платы

Драйвер двигателей

Драйвер моторов TB6612FNG — это сборка из двух H-полумостов. В нашем модуле мы запараллели оба канала микросхемы H-моста для компенсации нагрева.

Нагрузка

В качестве нагрузки для модуля H-мост(Troyka модуль) рациональнее всего использовать коллекторный мотор, так как есть смысл и потребность менять направления вращения двигателя. Если у вас иная нагрузка, используйте силовой ключ или реле.

Мотор подключается своими контактами к колодкам под винт M— и M+ . Полярность в данном случае неважна, так она влияет на направления вращения вала и её можно изменять программно.

Питание нагрузки

Источник питания для мотора (силовое питание) подключается своими контактами к колодкам под винт P . Положительный контакт источника питания подключается к контакту P+ , а отрицательный — к контакту P- . Напряжение питания моторов должно быть в пределах 3–12 В постоянного тока.

Контакты подключения трёхпроводных шлейфов

Джампер объединения питания

Силовое питание можно также подключать через пины V2 и G из второй группы Troyka-контактов. Для этого установите джампер объединения питания V2=P+ . При этом подключать питание к контактам P+ и P- уже не нужно.

Внимание! Джампер объединения питания связывает пины V2 с клеммником P+ внешнего питания. Если вы не уверены в своих действиях или боитесь подать слишком высокое напряжение с клемм H-моста на управляющую плату, не ставьте этот джампер!

Данный джампер будет полезен при установке H-моста на Troyka Slot Shield в пины поддерживающие V2 .

Например, если на плату подаётся 12 В через разъём внешнего питания, то установив джампер на Troyka Slot Shield в положение V2-VIN вы получите напряжение 12 В и на ножке V2 H-моста. Эти 12 В можно направить на питание нагрузки — просто установите джампер V2=P+ на H-мосте.

Световая индикация

Сдвоенный светодиод индикации скорости и направления вращения на плате.

При высоком логическом уровне на пине управления направлением вращения E , индикатор светится красным светом. При низком уровне — зелёным.

Чем выше скорость вращения двигателя, тем ярче горит зелёный либо красный светодиод.

Обвязка для согласования уровней напряжения

Необходима для сопряжения устройств с разными напряжениями логических уровней.

Мостовая схема управления вращением двигателя постоянного тока

Полная мостовая схема (Н-образный мост) содержит четыре выключателя, соединенных последовательно-параллельно. Широко распространен электронный вариант моста, где обычно используются транзисторы, работающие в режиме переключения. Такая схема часто служит для управления двигателем постоянного тока и позволяет изменять скорость и направление вращения.

Схема, приведенная на рис. 1 а, иллюстрирует управление двигателем, который можно привести в одно из четырех различных состояний: вращения в одном или в другом направлении, отключения и принудительной остановки (торможения). Последний вариант осуществляется путем одновременного замыкания двух нижних выключателей. В результате происходит закорачивание обмотки двигателя. Схема часто используется для управления двигателями в радиоуправляемых моделях. Последовательность сигналов должна быть достаточно точной: нужно избежать одновременного замыкания двух переключателей в одной ветви, что привело бы к закорачиванию источника питания. Чтобы выполнить это условие, для формирования управляющих сигналов обычно применяется специальное устройство. Путем периодического прерывания тока в ветвях моста можно изменять среднее значение тока, протекающего через двигатель, а следовательно, и скорость его вращения.

Другим интересным примером использования полной мостовой схемы является генерация импульсного сигнала, у которого полный перепад уровней равен удвоенной величине напряжения источника питания (рис. 1 б).

Рис. 1. Мостовая схема управления вращением двигателя

Для решения этой задачи периодически чередуют токи в двух противоположных ветвях, выполняя вышеуказанное условие. В зависимости от типа нагрузки, включенной на выходе моста (индуктивной или емкостной), время паузы в подаче сигналов подбирают так, чтобы ток успевал снизиться до прихода сигнала противоположной полярности. Описанная схема может использоваться для подачи сигнала повышенного напряжения на громкоговоритель или в выходных каскадах инвертора.

В качестве переключающих элементов все чаще применяются МОП транзисторы благодаря малому току, потребляемому по цепи управления. Однако переключение мощных транзисторов является непростой задачей, поскольку для этого необходимо располагать управляющим напряжением порядка 10 В относительно истока, который в данном случае является точкой с плавающим потенциалом. Есть несколько возможных решений данной проблемы, в частности подача управляющего сигнала через трансформатор, использование источника питания с незаземленным выходом или применение специализированных схем.

Н-мост и схема работы для управления двигателями

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.

• 1 Что такое Н-мост
• 2 Н-мост на биполярных транзисторах
• 3 Н-мост на полевых транзисторах
• 4 Интегральные микросхемы с Н-мостом

Что такое Н-мост

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.

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.