Ардуино: управление двигателем постоянного тока, L293D. Обозначение радиоэлементов на схемах H мост на биполярных транзисторах

В статье вы узнаете о том, какие существуют радиодетали. Обозначения на схеме согласно ГОСТу будут рассмотрены. Начать нужно с самых распространенных - резисторов и конденсаторов.

Чтобы собрать какую-либо конструкцию, необходимо знать, как выглядят в реальности радиодетали, а также как они обозначаются на электрических схемах. Существует очень много радиодеталей - транзисторы, конденсаторы, резисторы, диоды и пр.

Конденсаторы

Конденсаторы -- это детали, которые встречаются в любой конструкции без исключения. Обычно самые простые конденсаторы представляют собой две пластины из металла. И в качестве диэлектрического компонента выступает воздух. Сразу вспоминаются уроки физики в школе, когда проходили тему о конденсаторах. В качестве модели выступали две огромные плоские железки круглой формы. Их приближали друг к другу, затем отдаляли. И в каждом положении проводили замеры. Стоит отметить, что вместо воздуха может использоваться слюда, а также любой материал, который не проводит электрический ток. Обозначения радиодеталей на импортных принципиальных схемах отличается от ГОСТов, принятых в нашей стране.

Обратите внимание на то, что через обычные конденсаторы не проходит постоянный ток. С другой же стороны, через него проходит без особых трудностей. Учитывая это свойство, устанавливают конденсатор только там, где необходимо отделить переменную составляющую в постоянном токе. Следовательно, можно сделать схему замещения (по теореме Кирхгофа):

При работе на переменном токе конденсатор замещается отрезком проводника с нулевым сопротивлением.
При работе в цепи постоянного тока конденсатор замещается (нет, не емкостью!) сопротивлением.

Основной характеристикой конденсатора является электрическая емкость. Единица емкости - это Фарад. Она очень большая. На практике, как правило, используются которых измеряется в микрофарадах, нанофарадах, микрофарадах. На схемах конденсатор обозначается в виде двух параллельных черточек, от которых идут отводы.

Переменные конденсаторы

Существует и такой вид приборов, у которых емкость изменяется (в данном случае за счет того, что имеются подвижные пластины). Емкость зависит от размеров пластины (в формуле S - это ее площадь), а также от расстояния между электродами. В переменном конденсаторе с воздушным диэлектриком например, благодаря наличию подвижной части удается быстро менять площадь. Следовательно, будет меняться и емкость. А вот обозначение радиодеталей на зарубежных схемах несколько отличается. Резистор, например, на них изображается в виде ломаной кривой.

Постоянные конденсаторы

Эти элементы имеют отличия в конструкции, а также в материалах, из которых они изготовлены. Можно выделить самые популярные типы диэлектриков:

Воздух.
Слюда.
Керамика.

Но это касается исключительно неполярных элементов. Существуют еще электролитические конденсаторы (полярные). Именно у таких элементов очень большие емкости - начиная от десятых долей микрофарад и заканчивая несколькими тысячами. Кроме емкости у таких элементов существует еще один параметр - максимальное значение напряжения, при котором допускается его использование. Данные параметры прописываются на схемах и на корпусах конденсаторов.

на схемах

Стоит заметить, что в случае использования подстроечных или переменных конденсаторов указывается два значения - минимальная и максимальная емкость. По факту на корпусе всегда можно найти некоторый диапазон, в котором изменится емкость, если провернуть ось прибора от одного крайнего положения в другое.

Допустим, имеется переменный конденсатор с емкостью 9-240 (измерение по умолчанию в пикофарадах). Это значит, что при минимальном перекрытии пластин емкость составит 9 пФ. А при максимальном - 240 пФ. Стоит рассмотреть более детально обозначение радиодеталей на схеме и их название, чтобы уметь правильно читать технические документации.

Соединение конденсаторов

Сразу можно выделить три типа (всего существует именно столько) соединений элементов:

Последовательное - суммарная емкость всей цепочки вычислить достаточно просто. Она будет в этом случае равна произведению всех емкостей элементов, разделенному на их сумму.
Параллельное - в этом случае вычислить суммарную емкость еще проще. Необходимо сложить емкости всех входящих в цепочку конденсаторов.
Смешанное - в данном случае схема разбивается на несколько частей. Можно сказать, что упрощается - одна часть содержит только параллельно соединенные элементы, вторая - только последовательно.

И это только общие сведения о конденсаторах, на самом деле очень много о них можно рассказывать, приводить в пример занимательные эксперименты.

Резисторы: общие сведения

Эти элементы также можно встретить в любой конструкции - хоть в радиоприемнике, хоть в схеме управления на микроконтроллере. Это фарфоровая трубка, на которой с внешней стороны проведено напыление тонкой пленки металла (углерода - в частности, сажи). Впрочем, можно нанести даже графит - эффект будет аналогичный. Если резисторы имеют очень низкое сопротивление и высокую мощность, то используется в качестве проводящего слоя

Основная характеристика резистора - это сопротивление. Используется в электрических схемах для установки необходимого значения тока в определенных цепях. На уроках физики проводили сравнение с бочкой, наполненной водой: если изменять диаметр трубы, то можно регулировать скорость струи. Стоит отметить, что от толщины токопроводящего слоя зависит сопротивление. Чем тоньше этот слой, тем выше сопротивление. При этом условные обозначения радиодеталей на схемах не зависят от размеров элемента.

Постоянные резисторы

Что касается таких элементов, то можно выделить наиболее распространенные типы:

Металлизированные лакированные теплостойкие - сокращенно МЛТ.
Влагостойкие сопротивления - ВС.
Углеродистые лакированные малогабаритные - УЛМ.

У резисторов два основных параметра - мощность и сопротивление. Последний параметр измеряется в Омах. Но эта единица измерения крайне мала, поэтому на практике чаще встретите элементы, у которых сопротивление измеряется в мегаомах и килоомах. Мощность измеряется исключительно в Ваттах. Причем габариты элемента зависят от мощности. Чем она больше, тем крупнее элемент. А теперь о том, какое существует обозначение радиодеталей. На схемах импортных и отечественных устройств все элементы могут обозначаться по-разному.

На отечественных схемах резистор - это небольшой прямоугольник с соотношением сторон 1:3, его параметры прописываются либо сбоку (если расположен элемент вертикально), либо сверху (в случае горизонтального расположения). Сначала указывается латинская буква R, затем - порядковый номер резистора в схеме.

Переменный резистор (потенциометр)

Постоянные сопротивления имеют всего два вывода. А вот переменные - три. На электрических схемах и на корпусе элемента указывается сопротивление между двумя крайними контактами. А вот между средним и любым из крайних сопротивление будет меняться в зависимости от того, в каком положении находится ось резистора. При этом если подключить два омметра, то можно увидеть, как будет меняться показание одного в меньшую сторону, а второго - в большую. Нужно понять, как читать схемы радиоэлектронных устройств. Обозначения радиодеталей тоже не лишним окажется знать.

Суммарное сопротивление (между крайними выводами) останется неизменным. Переменные резисторы используются для регулирования усиления (с их помощью меняете вы громкость в радиоприемниках, телевизорах). Кроме того, переменные резисторы активно используются в автомобилях. Это датчики уровня топлива, регуляторы скорости вращения электродвигателей, яркости освещения.

Соединение резисторов

В данном случае картина полностью обратна той, которая была у конденсаторов:

Последовательное соединение - сопротивление всех элементов в цепи складывается.
Параллельное соединение - произведение сопротивлений делится на сумму.
Смешанное - разбивается вся схема на более мелкие цепочки и вычисляется поэтапно.

На этом можно закрыть обзор резисторов и начать описывать самые интересные элементы - полупроводниковые (обозначения радиодеталей на схемах, ГОСТ для УГО, рассмотрены ниже).

Полупроводники

Это самая большая часть всех радиоэлементов, так как в число полупроводников входят не только стабилитроны, транзисторы, диоды, но и варикапы, вариконды, тиристоры, симисторы, микросхемы, и т. д. Да, микросхемы - это один кристалл, на котором может находиться великое множество радиоэлементов - и конденсаторов, и сопротивлений, и р-п-переходов.

Как вы знаете, есть проводники (металлы, например), диэлектрики (дерево, пластик, ткани). Могут быть различными обозначения радиодеталей на схеме (треугольник - это, скорее всего, диод или стабилитрон). Но стоит отметить, что треугольником без дополнительных элементов обозначается логическая земля в микропроцессорной технике.

Эти материалы либо проводят ток, либо нет, независимо от того, в каком агрегатном состоянии они находятся. Но существуют и полупроводники, свойства которых меняются в зависимости от конкретных условий. Это такие материалы, как кремний, германий. Кстати, стекло тоже можно отчасти отнести к полупроводникам - в нормальном состоянии оно не проводит ток, но вот при нагреве картина полностью обратная.

Диоды и стабилитроны

Полупроводниковый диод имеет всего два электрода: катод (отрицательный) и анод (положительный). Но какие же существуют особенности у этой радиодетали? Обозначения на схеме можете увидеть выше. Итак, вы подключаете источник питания плюсом к аноду и минусом к катоду. В этом случае электрический ток будет протекать от одного электрода к другому. Стоит отметить, что у элемента в этом случае крайне малое сопротивление. Теперь можно провести эксперимент и подключить батарею наоборот, тогда сопротивление току увеличивается в несколько раз, и он перестает идти. А если через диод направить переменный ток, то получится на выходе постоянный (правда, с небольшими пульсациями). При использовании мостовой схемы включения получается две полуволны (положительные).

Стабилитроны, как и диоды, имеют два электрода - катод и анод. В прямом включении этот элемент работает точно так же, как и рассмотренный выше диод. Но если пустить ток в обратном направлении, можно увидеть весьма интересную картину. Первоначально стабилитрон не пропускает через себя ток. Но когда напряжение достигает некоторого значения, происходит пробой, и элемент проводит ток. Это напряжение стабилизации. Очень хорошее свойство, благодаря которому получается добиться стабильного напряжения в цепях, полностью избавиться от колебаний, даже самых мелких. Обозначение радиодеталей на схемах - в виде треугольника, а у его вершины - черта, перпендикулярная высоте.

Транзисторы

Если диоды и стабилитроны можно иногда даже не встретить в конструкциях, то транзисторы вы найдете в любой (кроме У транзисторов три электрода:

База (сокращенно буквой "Б" обозначается).
Коллектор (К).
Эмиттер (Э).

Транзисторы могут работать в нескольких режимах, но чаще всего их используют в усилительном и ключевом (как выключатель). Можно провести сравнение с рупором - в базу крикнули, из коллектора вылетел усиленный голос. А за эмиттер держитесь рукой - это корпус. Основная характеристика транзисторов - коэффициент усиления (отношение тока коллектора и базы). Именно данный параметр наряду с множеством иных является основным для этой радиодетали. Обозначения на схеме у транзистора - вертикальная черта и две линии, подходящие к ней под углом. Можно выделить несколько наиболее распространенных видов транзисторов:

Полярные.
Биполярные.
Полевые.

Существуют также транзисторные сборки, состоящие из нескольких усилительных элементов. Вот такие самые распространенные существуют радиодетали. Обозначения на схеме были рассмотрены в статье.

Зачем нужны драйвера двигателей и H-мосты в частности?

Научившись «дрыгать» пинами и зажигать светодиоды фанаты и любители «Ардуино» хотят чего-то большего, чего-то помощнее, например научиться управлять моторами. Напрямую подключить мотор к микроконтроллеру нельзя, так как типовые токи пинов контроллера составляют несколько миллиампер, а у моторов, даже у игрушечных, счет идет на десятки и сотни миллиампер, вплоть до нескольких ампер. Тоже самое с напряжением: микроконтроллер оперирует напряжением до 5 В, а моторы бывают разного вольтажа.

В этом обзоре речь идет только о питании коллекторных двигателей постоянного тока, для шаговых двигателей лучше применять специализированные драйвера шаговых двигателей, а для бесколлекторных двигателей имеются свои драйверы, они несовместимы с коллекторными двигателями. Заметим, что в русскоязычной литературе существует некоторая терминологическая путаница – драйверами двигателей называют как «железные» модули, так и фрагменты кода, функции, отвечающие за работу с этими «железными» драйверами. Мы будем иметь в виду под «драйвером» именно модуль, подключаемый с одной стороны к микроконтроллеру (например, к плате Arduino), с другой стороны - к двигателю. Вот таким «преобразователем» логических сигналов контроллера в выходное напряжение для питания двигателя и является «драйвер» двигателя, и, в частности, наш драйвер на L9110S.

Принцип действия двойного H -моста на основе L 9110 S

H – мост (читается «аш-мост») – электронный модуль, аналог переключателя, обычно применяется для питания двигателей постоянного тока и шаговых двигателей, хотя для шаговых двигателей обычно применяются более специализированные модули. Обозначается “H”, потому что принципиальная схема H-моста напоминает букву H.

В «палочке» H включен мотор постоянного тока. Если замкнуть контакты S1 и S4, то мотор будет вращаться в одну сторону, слева будет ноль (S1), справа + напряжения (S4). Если замкнуть контакты S2 и S3, то на правом контакте мотора будет ноль (S3), а на левом + питания (S1), мотор будет вращаться в другую сторону. Мост представляет собой чип L9110 с защитой от сквозных токов: при переключении контакты сначала размыкаются, и только через некоторое время замыкаются другие контакты. На плате стоит два чипа L9110, поэтому одна плата может управлять двумя потребителями постоянного тока: моторами, соленоидами, светодиодами, да чем угодно, или одним двух-обмоточным шаговым двигателем (такие шаговые моторы называются двух-фазными биполярными).

Элементы платы

Плата небольшая, элементов немного:

Разъем подключения мотора A
Разъем подключения мотора B
Чип H-моста мотора A
Чип H-моста мотора B
Пины подключения питания и управления

Подключение

Мотор А и Мотор В - два выхода для подключения нагрузки, ток не более 0,8 А; В-1А - сигнал «Мотор В вперед»; В-1 B - сигнал «Мотор В реверс»; Земля (GND) - должен быть соединён с землёй микроконтроллера и источника питания двигателя.; Питание (VCC) - питание двигателя (не более 12 В); А-1А - сигнал «Мотор А вперед»; A-1 B - сигнал «Мотор А реверс». Сигналы на пинах управляют напряжением на выходах для подключения моторов:

Для плавного управления выходным напряжением подаем не просто HIGH, а широтно-импульсно модулированный (PWM) сигнал. Все пины ардуино, отмеченные знаком ~, могут давать ШИМ выход командой analogWrite(n,P), где n-номер пина (в Arduino Nano и Uno это 3,5-6 и 9-11, соответственно). При использовании этих пинов для ШИМ сигнала, необходимо задействовать таймеры 0 (пины 5 и 6), таймер 1 (пины 9 и 10) и таймер 2 (пины 3 и 11). Дело в том, что некоторые библиотечные функции могут использовать те же таймеры – тогда будет конфликт. По большому счету достаточно знать, что пин 3 подключается ко входу A-1B, а пин 5 ко входу A1-A, команда digitalWrite(3,127) подаст 50% напряжения на мотор в прямом направлении.

Пример использования

Управление роботом: тележка с фарой (белый светодиод) и фонарем заднего хода (красный светодиод). Программа указана ниже и описывает циклическое движение тележки: вперед-остановка-назад-остановка. Все важные шаги в программе прокомментированы.

Мотор подключен к клеммам MOTOR A, светодиоды подключены к выходу MOTOR B. Робот едет время TIME вперед, включив белый светодиод. Далее стоит время TIME с горящими наполовину белыми светодиодами. После чего едет назад, включив красные светодиоды. Далее снова стоит время TIME, включив красные, а потом белые светодиоды на половину яркости. // Драйвер двигателя L9110S // by Dr.S // сайт // определяем, какие порты будем использовать для управления мотором и светодиодами #define FORWARD 3 #define BACK 5 #define WHITE_LIGHT 6 #define RED_LIGHT 9 #define LEDOUT 13 #define TIME 5000 unsigned char Forward_Speed = 200; unsigned char Back_Speed = 160; unsigned char White_Light = 210; unsigned char Red_Light = 220; void setup() { // объявляем пины управления мостом как выходы: pinMode(FORWARD, OUTPUT); pinMode(BACK, OUTPUT); pinMode(WHITE_LIGHT, OUTPUT); pinMode(RED_LIGHT, OUTPUT); pinMode(LEDOUT, OUTPUT); } // the loop routine runs over and over again forever: void loop() { // Робот едет вперед в течении времени TIME analogWrite(WHITE_LIGHT, White_Light); // Включить белый светодиод- "фары" analogWrite(RED_LIGHT, 0); analogWrite(FORWARD, Forward_Speed); // Робот пошел вперед analogWrite(BACK, 0); delay(TIME); // и немного подождать // Робот включает "фары" на половину обычной яркости и стоит analogWrite(WHITE_LIGHT, White_Light / 2); // Включить белый светодиод- "фары" как стояночные огни analogWrite(RED_LIGHT, 0); analogWrite(FORWARD, 0); // Робот стоит analogWrite(BACK, 0); delay(TIME); // и немного подождать // Робот включает красные светодиоды "заднего хода" и идет назад analogWrite(WHITE_LIGHT, 0); // Включить белый светодиод- "фары" как стояночные огни analogWrite(RED_LIGHT, Red_Light); analogWrite(FORWARD, 0); analogWrite(BACK, Back_Speed); // Робот идет назад delay(TIME); // и немного подождать // Робот включает попеременно красные и белые светодиоды и стоит analogWrite(WHITE_LIGHT, 0); analogWrite(RED_LIGHT, Red_Light / 2); // Включить красный светодиод как стояночные огни analogWrite(FORWARD, 0); analogWrite(BACK, 0); // Робот стоит delay(TIME / 2); // и немного подождать analogWrite(WHITE_LIGHT, White_Light / 2); // Включить белый светодиод- "фары" как стояночные огни analogWrite(RED_LIGHT, 0); delay(TIME / 2); // и немного подождать }

Принципиальная схема

Технические характеристики модуля

Два независимых выхода, до 800 мА каждый
Максимальная перегрузочная способность 1.2 А
Напряжение питания от 2,5 до 12 В
Логические уровни совместимы с 3,3 и 5 В логикой
Рабочий диапазон 0 °С до 80°С

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.

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.

Рассмотрим драйвер электродвигателей на транзисторах и микросхеме L298, разберемся с принципом работы H-моста. Узнаем особенности подключения драйверов на L298 к разным двигателям и источникам питания, проведем простые эксперименты с шаговыми движками и двигателями постоянного напряжения. Подключение к Raspberry Pi и простейшие программы для теста управления драйвером.

Что такое H-мост

При проектировании станков, роботов и других автоматизированных устройств возникает необходимость управлять электродвигателем постоянного тока или же катушками шагового движка. Для того, чтобы иметь возможность управлять обмоткой двигателя и заставить его вал вращаться в разные стороны, необходимо выполнять коммутацию с переполюсовкой. Для подобной цели используется так называемый "H-мост".

Почему такое название? - потому что схема включения двигателя и переключателей для коммутации напоминает латинскую букву H. Принципы работы H-моста показан нарисунке ниже.

Рис. 1. Как работает H-мост, принцип коммутации двигателя для вращения в разные стороны.

Как видим, при помощи 4х переключателей мы можем подключать мотор к источнику питания в разной полярности, что в свою очередь заставит вращаться его вал в разные стороны. Переключатели можно заменить на реле, или же на мощные электронные ключи на транзисторах.

Важно заметить что НЕЛЬЗЯ допускать замыкания двух ключей на одной стороне H-моста, поскольку получится короткое замыкание, при проектировании схемы моста нужно заложить это правило в логику и таким образом реализовать защиту.

Схема простого H-моста на кремниевых транзисторах

Собрать простой драйвер двигателя постоянного тока (или для обмотки шагового двигателя) можно на распространенных кремниевых транзисторах.

Рис. 2. Принципиальная схема простого драйвера электродвигателя на кремниевых транзисторах.

Такой драйвер позволяет управлять электродвигателем постоянного тока с питающим напряжением до 25В (для КТ817А, КТ816А) и до 45В (для КТ817Б-Г, КТ816Б-Г) с током не более 3А. При большом рабочем и нагрузочном токе двигателя выходные транзисторы КТ817 и КТ816 должны быть установлены на радиаторы достаточного размера.

Установка диодов VD1-VD2 обязательна, они нужны для защиты выходных транзисторов от обратного тока. На их место можно поставить отечественные КД105А или другие на больший ток.

Собрав две такие схемки (2х6 транзисторов) можно также управлять шаговым двигателем или же двумя двигателями постоянного тока.

Для того чтобы не городить огород из 12 транзисторов можно применить специализированные микросхемы, ниже мы рассмотрим пример с микросхемой L298 и готовым блоком на ее основе.

Микросхема L298, характеристики и возможности

Интегральная микросхема L298 - это мощный универсальный мостовой драйвер для управления двигателями постоянного тока, шаговыми движками, электромагнитными реле и электромагнитами (соленоидами). В микросхеме содержится два H-моста, выполненных на мощных транзисторах, а также логика совместимая с TTL.

Рис. 3. Микросхема L298 в корпусах Multiwatt15 PowerSO20.

Основные технические характеристики:

Рабочее напряжение - до 46В;
Максимальный постоянный ток - 4А (с радиатором);
Низкое напряжение насыщения;
Защита от перегрева;
Логический "0" = напряжение до 1,5В.

Где можно применить драйвер на микросхеме L298? - несколько идей:

Управление шаговым двигателем;
Управление двумя двигателями постоянного тока (DC motors);
Коммутация катушек мощных реле;
Управление соленоидами (электромагнитами).

Если посмотреть на структурную схему микросхему L298 то мы можем увидеть что-то на подобии схемы на рисунке 2, только с дополнительными логическими элементами.

Рис. 4. Внутренняя схема микросхемы L298N - мощный двойной H-мост.

Для каждого H-моста мы имеем по 3 входа: In1 - для подачи напряжения в одном направлении, In2 - в противоположном, и еще один вход En для подачи питания на выходные транзисторы моста.

Таким образом мы можем установить направление прохождения тока и управлять его подачей (включено или выключено, а также ШИМ).

Схема драйвера на микросхеме L298

Ниже представлена простая схема для драйвера двигателей на микросхеме L298N. Управление осуществляется по четырем проводам (вместо шести у L298) благодаря использованию дополнительных инверторов в микросхеме CD4011.

Рис. 5. Принципиальная схема драйвера электродвигателей на микросхеме L298N.

Для питания логики обеих микросхем нужно стабилизированное напряжение +5В (P2), можно использовать интегральный стабилизатор, например L7805 или же питать логику от имеющейся линии питания +5В. Для подачи питающего напряжения на двигатели используется отдельная линия питания P1.

Выводы P4, P5 используются для установки полярности каждого из каналов, а выводы P6, P7 - разрешают подачу питания на каскады (ключи) внутреннего H-моста для каждого канала.

Микросхему CD4011 можно заменить на отечественную К176ЛА7. Диоды Шоттки можно поставить другого номинала, на 35В/4А и более. Если не планируется ограничивать ток обмоток двигателя(двигателей) то низкоомные ограничивающие резисторы R9-R10 можно исключить из схемы, заменив их на перемычки.

В интернете можно заказать готовый модуль на L298, правда в нем будет 6 входов для управления.

Рис. 6. Готовые модули на L298.

Я для своих нужд приобрел готовый модуль по типу как на рисунке слева. В нем присутствует микросхема L298 и небольшой стабилизатор для подачи +5В на логику микросхемы.

Для подключения данной платки важно четко уяснить одну особенность:

Если для питания двигателей используется напряжение более чем 12В то перемычку нужно убрать и подавать отдельно 5В на выделенный для этого коннектор
Если питание двигателей будет осуществляться от напряжения 5-12В то перемычку нужно утсановить и дополнительное питание 5В не понадобится.

Если же подать на двигатели, например 20В и оставить перемычку установленной, то на модуле выгорит микросхемка-стабилизатор на 5В. Почему разработчики не установили интегральный стабилизатор с более широким диапазоном входных напряжений - не понятно.

Для того чтобы сэкономить два входа при подключении такого блока к Arduino или Raspberry Pi можно добавить часть схемы на CD4001, как на рисунке 5.

L298 + DC двигатели + Raspberry Pi

Для данного эксперимента к модулю на L298 были подключены два двигателя постоянного тока. Питание всего модуля осуществляется от одного аккумулятора на 6В. Поскольку это напряжение меньше 12В (смотрим выше описание) то перемычку внутреннего стабилизатора оставляем установленной и дополнительное питание +5В для логики не потребуется.

Перемычки "ENA" и "ENB", которые разрешают подачу питания на выходные мосты, оставлены установленными. Таким образом, для управления каждым из двигателей используем оставшиеся четыре входа: IN1, IN2, IN3, IN4.

После подключения питания на модуле загорится светодиод, теперь можем подать на каждый из входов поочередно +5В и посмотреть как будут вращаться наши движки.

Где взять +5В? - в данном случае это напряжение присутствует на разъеме питания, справа возле GND. Для теста можно воспользоваться кусочком проволоки - перемычкой.

Теперь подключим наш модуль к Raspberry Pi и напишем простую тестовую программу на Python. Для подключения модуля я использовал выводы GPIO вот в таком соответствии:

Рис. 7. L298 + Raspberry Pi + электродвигатели постоянного тока.

Мини-компьютер у меня питается через понижающий импульсный стабилизатор от второго аккумулятора на 6В. Перейдем к написанию программы для нашего эксперимента, наша цель - управлять вращением вала каждого из двигателей при помощи клавиатуры, которая подключена к Raspberry Pi или же удаленно по SSH, VNC.

Теперь испробуем простую программу, написанную на Python, которая поможет понять принцип управления электродвигателем постоянного тока.

Загружаем малинку, открываем Терминал или же подключаемся к ней удаленно при помощи SSH. Создаем новый файл и открываем его для редактирования при помощи команды:

Nano /home/pi/l298_dc_motors_test.py

Вставляем в редактор код скрипта на Python, который приведен ниже:

Выходим из редактора и сохраняем файл. Делаем скрипт исполняемым и запускаем его:

Chmod +x /home/pi/l298_dc_motors_test.py /home/pi/l298_dc_motors_test.py

После запуска скрипта один из двигателей начнет вращаться в одну сторону на протяжении пяти секунд, потом он выключится и через 10 секунд начнет вращаться в другую сторону на протяжении 5-ти секунд.

Ниже приведен более сложный и функциональный пример программы, которая будет взаимодействовать с пользователем и позволит интерактивно управлять двумя электродвигателями. Аналогично первому скрипту, программу можно сохранить в тот же файл или в новый отдельно созданный.

Важно чтобы в данном примере кода соблюдались отступы, об этом я уже писал раньше .

#!/usr/bin/env python # -*- coding: utf-8 -*- import os import sys import curses import time import RPi.GPIO as GPIO # Установим номера пинов GPIO, с которыми будем работать M1_RIGHT = 4 M1_LEFT = 17 M2_RIGHT = 27 M2_LEFT = 22 # Функция для подготовки пинов GPIO def setup(*ports): GPIO.cleanup() # Режим именования пинов по названию, а не по номеру на плате GPIO.setmode(GPIO.BCM) for port in ports: # Установка пина на вывод + низкий уровень "0" GPIO.setup(port, GPIO.OUT) GPIO.output(port, GPIO.LOW) # Функция для установки низкого уровня на всех пинах (выключение) def stop_all(): GPIO.output(M1_LEFT, GPIO.LOW) GPIO.output(M1_RIGHT, GPIO.LOW) GPIO.output(M2_LEFT, GPIO.LOW) GPIO.output(M2_RIGHT, GPIO.LOW) # Функция для управления вращением движков def rotate(motor=1, mode="s"): # Выключаем все пины stop_all() # Для мотора 1 if motor == 1: if mode == "r": # Устанавливаем высокий уровень на пине M1_RIGHT (4) GPIO.output(M1_RIGHT, GPIO.HIGH) elif mode == "l": # Устанавливаем высокий уровень на пине M1_LEFT (17) GPIO.output(M1_LEFT, GPIO.HIGH) # Для мотора 2 elif motor == 2: if mode == "r": GPIO.output(M2_RIGHT, GPIO.HIGH) elif mode == "l": GPIO.output(M2_LEFT, GPIO.HIGH) # Выполним инициализацию пинов GPIO setup(M1_RIGHT, M1_LEFT, M2_RIGHT, M2_LEFT) # Инициализация экрана (модуль curses) stdscr = curses.initscr() # Реагировать на нажатие клавиш без подтверждения при помощи ENTER curses.cbreak() # Разрешить использование стрелочек на клавиатуре stdscr.keypad(1) # Не блокировать программу по времени при опросе событий stdscr.nodelay(1) # Отобразим на экране данные по умолчанию stdscr.addstr(0, 10, "Hit "q" to quit") stdscr.addstr(2, 10, "A - M1 Left, D - M1 Right") stdscr.addstr(3, 10, "< - M2 Left, > - M2 Right") stdscr.addstr(4, 10, "S - stop") stdscr.refresh() # Главный цикл while True: # Получаем код нажатия клавиши и проверяем его key = stdscr.getch() if key != -1: # Если клавиша "стрелка влево" то вращаем движок 2 влево if key == curses.KEY_LEFT: # Выводим на экран строку "M2 <---" в позиции 6, 10 stdscr.addstr(6, 10, "M2 <---") rotate(2, "l") # Если клавиша "стрелка вправо" то вращаем движок 2 вправо elif key == curses.KEY_RIGHT: stdscr.addstr(6, 10, "M2 --->") rotate(2, "r") # Если клавиша "а" то вращаем движок 1 влево elif key == ord("a"): stdscr.addstr(6, 10, "M1 <---") rotate(1, "l") # Если клавиша "d" то вращаем движок 1 вправо elif key == ord("d"): stdscr.addstr(6, 10, "M1 --->") rotate(1, "r") # Если клавиша "s" то останов всех движков elif key == ord("s"): stdscr.addstr(6, 10, "STOP 12") stop_all() # Если клавиша "s" то выходим из программы elif key == ord("q"): # Восстановление прежних настроек терминала stdscr.keypad(0) curses.echo() curses.endwin() # Очистка и выход os.system("clear") sys.exit() # Обновляем текст на экране и делаем небольшую задержку stdscr.refresh() time.sleep(0.01)

Запустив скрипт можно понажимать стрелочки клавиатуры "влево" и "вправо", а также клавиши с буквами "A" и "D" - двигатели должны вращаться поочередно и в разные стороны, а программа будет отображать их текущий режим работы.

Рис. 8. Программа на Python для управления двигателями при помощи драйвера L298 (терминал Konsole, KDE).

Краткая видео-демонстрация работы данного эксперимента приведена ниже:

Что такое шаговый двигатель, типы шаговиков

Шаговый двигатель (для тех кто не знает) - это электромотор, в котором нет щеток и обмоток на статоре (якоре), они присутствуют на роторе и размещены таким образом что подключая каждую из них к источнику питания мы выполняем фиксацию ротора (делаем один шаг). Если поочередно подавать напряжение на каждую из обмоток с нужной полярностью то можно заставить двигатель вращаться (делать последовательные шаги) в нужном направлении.

Шаговые двигатели надежны, стойки к износу и позволяют контролировать вращение на определенный угол, применяются в автоматизации процессов, на производстве, в электронно-вычислительной аппаратуре(CD-DVD приводы, принтеры, копиры) и т.п.

Такие двигатели бывают следующих видов:

Биполярный - 2 обмотки, по одной на каждую фазу, для управления можно использовать схему на 2 H-моста или один полу-мост с двуполярным питанием;
Униполярный - 2 обмотки, каждая с отводом от середины, удобно переключать фазы сменой половинок каждой из обмоток, упрощает схему драйвера (4 ключа), а также использовать как быполярный без использования отводов от обмоток;
С четирьмя обмотками - универсальный, подключив обмотки соответствующим образом можно использовать как быполярный или униполярный движок.

Рис. 9. Типы шаговых двигателей: биполярный, униполярный, с четырьмя обмотками.

Определить тип используемого двигателя можно, как правило, по количеству выводов на его корпусе, а также не помешает прозвонить все выводы тестером для определения есть ли соеднения между обмотками.

L298 + шаговый двигатель + Raspberry Pi

Теперь давайте подключим шаговый двигатель, в моем случае применен биполярный мощный шаговый двигатель, извлеченный из старого матричного принтера.

Для подключения одного биполярного двигателя потребуется два выхода драйвера на L298 (два H-моста). Для данного эксперимента модуль L298 нужно подключить к Raspberry Pi так же, как и в варианте с .

Прежде можете поэкспериментировать без малинки - подавать поочередно на входы модуля L298 напряжение 5В и посмотреть как вал двигателя будет выполнять шаги.

По сути дела, при помощи малинки, мы будем поочередно и с некоторой задержкой подавать импульсы на обмотки движка, чем заставим его вал вращаться в нужную нам сторону и с нужной скоростью.

Рис. 10. Подключение биполярного шагового двигателя к модулю L298 для управления через Raspberry Pi.

Если все уже подключено, то переходим к экспериментам с простой тестовой программой на Python, которая поможет понять как работать с шаговыми двигателем используя L298 + Raspberry Pi.

Создадим файл для скрипта и откроем его для редактирования:

Nano /home/pi/l298_stepper_motor_test.py

Вставляем в редактор следующий код скрипта на Python:

#!/usr/bin/env python # -*- coding: utf-8 -*- import time import RPi.GPIO as GPIO # Подготавливаем пины GPIO. GPIO.cleanup() GPIO.setmode(GPIO.BCM) GPIO.setup(4, GPIO.OUT) GPIO.output(4, GPIO.LOW) GPIO.setup(17, GPIO.OUT) GPIO.output(17, GPIO.LOW) GPIO.setup(27, GPIO.OUT) GPIO.output(27, GPIO.LOW) GPIO.setup(22, GPIO.OUT) GPIO.output(22, GPIO.LOW) # Временная задержка между шагами, сек. step_timeout = 0.0105 # Длительность импульса, сек. impulse_timeout = 0.008 # Шаг 1. GPIO.output(4, GPIO.HIGH) time.sleep(impulse_timeout) GPIO.output(4, GPIO.LOW) time.sleep(step_timeout) # Шаг 2. GPIO.output(17, GPIO.HIGH) time.sleep(impulse_timeout) GPIO.output(17, GPIO.LOW) time.sleep(step_timeout) # Шаг 3. GPIO.output(27, GPIO.HIGH) time.sleep(impulse_timeout) GPIO.output(27, GPIO.LOW) time.sleep(step_timeout) # Шаг 4. GPIO.output(22, GPIO.HIGH) time.sleep(impulse_timeout) GPIO.output(22, GPIO.LOW) time.sleep(step_timeout) # Ждем 10 секунд. time.sleep(10) # 20 раз по 4 шага в цикле. for i in range(0,20): GPIO.output(4, GPIO.HIGH) time.sleep(impulse_timeout) GPIO.output(4, GPIO.LOW) time.sleep(step_timeout) GPIO.output(17, GPIO.HIGH) time.sleep(impulse_timeout) GPIO.output(17, GPIO.LOW) time.sleep(step_timeout) GPIO.output(27, GPIO.HIGH) time.sleep(impulse_timeout) GPIO.output(27, GPIO.LOW) time.sleep(step_timeout) GPIO.output(22, GPIO.HIGH) time.sleep(impulse_timeout) GPIO.output(22, GPIO.LOW) time.sleep(step_timeout)

Делаем файл со скриптом исполняемым и запускаем его на исполнение:

Chmod +x /home/pi/l298_stepper_motor_test.py /home/pi/l298_stepper_motor_test.py

осле запуска скрипта, шаговый двигатель должен совершить 4 шага (вращение в одну сторону), потом подождав 10 секунд он снова начнет свое вращение и сделает уже 20*4 шагов.

А теперь рассмотрим пример интерактивной программы, которая позволяет управлять направлением и скоростью вращения (последовательные шаги) шагового двигателя с использованием клавиатуры.

#!/usr/bin/env python # -*- coding: utf-8 -*- import os import sys import curses import time import RPi.GPIO as GPIO # Функция для подготовки пинов GPIO def setup(*ports): GPIO.cleanup() # Режим именования пинов по названию, а не по номеру на плате GPIO.setmode(GPIO.BCM) for port in ports: # Установка пина на вывод + низкий уровень "0" GPIO.setup(port, GPIO.OUT) GPIO.output(port, GPIO.LOW) # Функция для подачи импульса на пин с некоторой задержкой (1 шаг) def impulse(port=0): GPIO.output(port, GPIO.HIGH) # Set the timeout value to be anough for one step time.sleep(0.008) GPIO.output(port, GPIO.LOW) time.sleep(timeout) # Выполняем установку нужных нам пинов GPIO setup(4, 17, 27, 22) # Задержка между шагами (по умолчанию) timeout = 0.0105 # Направление вращения (по умолчанию) direction = "r" # Инициализация экрана (модуль curses) stdscr = curses.initscr() # Реагировать на нажатие клавиш без подтверждения при помощи ENTER curses.cbreak() # Разрешить использование стрелочек на клавиатуре stdscr.keypad(1) # Не блокировать программу по времени при опросе событий stdscr.nodelay(1) # Отобразим на экране данные по умолчанию stdscr.addstr(0, 10, "Hit "q" to quit") stdscr.addstr(2, 10, "--->") stdscr.addstr(3, 10, "Timeout: " + str(timeout)) stdscr.refresh() # Главный цикл while True: # Набор импульсов для вращения вала мотора вправо if direction == "r": impulse(4) impulse(17) impulse(27) impulse(22) # Набор импульсов для вращения вала мотора влево elif direction == "l": impulse(22) impulse(27) impulse(17) impulse(4) # Считываем код нажатия клавиши и проверяем его key = stdscr.getch() if key != -1: # Клавиша "влево" меняет направление вращения: ВЛЕВО if key == curses.KEY_LEFT: # отображаем текст "<---" в позиции экрана 2, 10 stdscr.addstr(2, 10, "<---") # Изменим значение переменной с направлением вращения direction = "l" # Клавиша "вправо" меняет направление вращения: ВПРАВО elif key == curses.KEY_RIGHT: stdscr.addstr(2, 10, "--->") direction = "r" # Клавиша "вверх" ускоряет вращение elif key == curses.KEY_UP: # Уменьшаем задержку между шагами timeout = timeout - 0.0005 # Клавиша "вниз" замедляет вращение elif key == curses.KEY_DOWN: # Увеличиваем задержку между шагами timeout = timeout + 0.0005 # Клавиша "q" выполняет выход из программы elif key == ord("q"): stdscr.keypad(0) curses.echo() curses.endwin() os.system("clear") sys.exit() # Смотрим чтобы время задержки не перешло границу 0 if timeout <= 0: timeout = 0.0005 # Обновляем текст на экране stdscr.addstr(3, 10, "Timeout: " + str(timeout)) stdscr.refresh() time.sleep(0.01)

Теперь клацаем клавиши стрелок влево и вправо и смотрим как будет изменяться направление вращения вала двигателя, а при нажатии клавиш вверх и вниз скорость будет увеличиваться и уменьшаться соответственно.

Если же двигатель не вращается, то возможно что потребуется сменить полярность подключения одной из обмоток к модулю на L298.

Рис. 11. Программа управления биполярным шаговым двигателем, L298, Raspberry Pi.

Видео-демонстрация работы шагового двигателя:

Заключение

Надеюсь вы получили ответ на вопрос "что такое H-мост и как он работает", из экспериментов должно быть понятно как применять драйвер на микросхеме L298 и подключать к нему разные движки.

Важно заметить что в интернете можно найти готовые библиотеки и скрипты на Python для удобного управления двигателями при помощи H-моста на L298 с использованием Raspberry Pi.