Для управления двигателями используются так называемые H-мосты, позволяющие путем подачи управляющих логических сигналов на входы вызывать вращение в обе стороны. В данной статье я собрал несколько вариантов Н-мостов. У каждого есть свои достоинства и недостатки, выбор за вами.
ВАРИАНТ №1Это транзисторный H-мост, его достоинсто - это простота изготовления, детали для него есть практически у каждого в хламе, а также он достаточно мощный, особенно если применить КТ816 и КТ817 транзисторы вместо КТ814, КТ815 указанных на схеме. На данный мост нельзя подавать на оба входа лог.1, т.к. произойдет короткое замыкание.
ВАРИАНТ №2
Этот H-мост собран на микросхеме, его достоинство - это одна микросхема:-), а еще то что в ней уже 2 Н-моста. К недостаткам можно отнести то, что микросхема маломощная - макс. ток выхода 600 мА. На линии E можно подавать сигнал ШИМ для управления скоростью, если это не требуется, то вывод Е нужно подключить к плюсу питания.
ВАРИАНТ №3
Этот вариант управления тоже на микросхеме, более мощной, чем L293D, но мост в ней один. Микросхема бывает в трех вариантах S, P, F. На рисунке изобажен вариант S. Вариант P более мощный, а вариант F - для поверхностного монтажа. У всех микросхем разная распиновка, для других смотрите даташит. Кстати эта схема позволяет подавать на оба входа единички, это вызывает торможение двигателя.
ВАРИАНТ №4
Этот мост собран на MOSFET транзисторах, он очень простой и достаточно мощный. На него нельзя подавать одновременно две единицы.
Существует еще достаточно много микросхем управления двигателями (например TLE4205, L298D), но указанные выше - самые популярные. Так же можно собрать Н-мост на обычных электромагнитных реле.
В этой статье мы рассмотрим обозначение радиоэлементов на схемах.
С чего начать чтение схем?
Для того, чтобы научиться читать схемы, первым делом, мы должны изучить как выглядит тот или иной радиоэлемент в схеме. В принципе ничего сложного в этом нет. Вся соль в том, что если в русской азбуке 33 буквы, то для того, чтобы выучить обозначения радиоэлементов, придется неплохо постараться.
До сих пор весь мир не может договориться, как обозначать тот или иной радиоэлемент либо устройство. Поэтому, имейте это ввиду, когда будете собирать буржуйские схемы. В нашей статье мы будем рассматривать наш российский ГОСТ-вариант обозначения радиоэлементов
Изучаем простую схему
Ладно, ближе к делу. Давайте рассмотрим простую электрическую схему блока питания, которая раньше мелькала в любом советском бумажном издании:
Если вы не первый день держите паяльник в руках, то для вас с первого взгляда сразу все станет понятно. Но среди моих читателей есть и те, кто впервые сталкивается с подобными чертежами. Поэтому, эта статья в основном именно для них.
Ну что же, давайте ее анализировать.
В основном, все схемы читаются слева-направо, точно также, как вы читаете книгу. Всякую разную схему можно представить в виде отдельного блока, на который мы что-то подаем и с которого мы что-то снимаем. Здесь у нас схема блока питания, на который мы подаем 220 Вольт из розетки вашего дома, а выходит уже с нашего блока постоянное напряжение . То есть вы должны понимать, какую основную функцию выполняет ваша схема . Это можно прочесть в описании к ней.
Как соединяются радиоэлементы в схеме
Итак, вроде бы определились с задачей этой схемы. Прямые линии – это провода, либо печатные проводники, по которым будет бежать электрический ток . Их задача – соединять радиоэлементы.
Точка, где соединяются три и более проводников, называется узлом . Можно сказать, в этом месте проводки спаиваются:
Если пристально вглядеться в схему, то можно заметить пересечение двух проводников
Такое пересечение будет часто мелькать в схемах. Запомните раз и навсегда: в этом месте провода не соединяются и они должны быть изолированы друг от друга . В современных схемах чаще всего можно увидеть вот такой вариант, который уже визуально показывает, что соединения между ними отсутствует:
Здесь как бы один проводок сверху огибает другой, и они никак не контактируют между собой.
Если бы между ними было соединение, то мы бы увидели вот такую картину:
Буквенное обозначение радиоэлементов в схеме
Давайте еще раз рассмотрим нашу схему.
Как вы видите, схема состоит из каких-то непонятных значков. Давайте разберем один из них. Пусть это будет значок R2.
Итак, давайте первым делом разберемся с надписями. R – это значит . Так как у нас он не единственный в схеме, то разработчик этой схемы дал ему порядковый номер “2”. В схеме их целых 7 штук. Радиоэлементы в основном нумеруются слева-направо и сверху-вниз. Прямоугольник с чертой внутри уже явно показывает, что это постоянный резистор с мощностью рассеивания в 0,25 Ватт. Также рядом с ним написано 10К, что означает его номинал в 10 Килоом. Ну как-то вот так…
Как же обозначаются остальные радиоэлементы?
Для обозначения радиоэлементов используются однобуквенные и многобуквенные коды. Однобуквенные коды – это группа , к которой принадлежит тот или иной элемент. Вот основные группы радиоэлементов :
А – это различные устройства (например, усилители)
В – преобразователи неэлектрических величин в электрические и наоборот. Сюда могут относиться различные микрофоны, пьезоэлементы, динамики и тд. Генераторы и источники питания сюда не относятся .
С – конденсаторы
D – схемы интегральные и различные модули
E – разные элементы, которые не попадают ни в одну группу
F – разрядники, предохранители, защитные устройства
H – устройства индикации и сигнальные устройства, например, приборы звуковой и световой индикации
K – реле и пускатели
L – катушки индуктивности и дроссели
M – двигатели
Р – приборы и измерительное оборудование
Q – выключатели и разъединители в силовых цепях. То есть в цепях, где “гуляет” большое напряжение и большая сила тока
R – резисторы
S – коммутационные устройства в цепях управления, сигнализации и в цепях измерения
T – трансформаторы и автотрансформаторы
U – преобразователи электрических величин в электрические, устройства связи
V – полупроводниковые приборы
W – линии и элементы сверхвысокой частоты, антенны
X – контактные соединения
Y – механические устройства с электромагнитным приводом
Z – оконечные устройства, фильтры, ограничители
Для уточнения элемента после однобуквенного кода идет вторая буква, которая уже обозначает вид элемента . Ниже приведены основные виды элементов вместе с буквой группы:
BD – детектор ионизирующих излучений
BE – сельсин-приемник
BL – фотоэлемент
BQ – пьезоэлемент
BR – датчик частоты вращения
BS – звукосниматель
BV – датчик скорости
BA – громкоговоритель
BB – магнитострикционный элемент
BK – тепловой датчик
BM – микрофон
BP – датчик давления
BC – сельсин датчик
DA – схема интегральная аналоговая
DD – схема интегральная цифровая, логический элемент
DS – устройство хранения информации
DT – устройство задержки
EL – лампа осветительная
EK – нагревательный элемент
FA – элемент защиты по току мгновенного действия
FP – элемент защиты по току инерционнго действия
FU – плавкий предохранитель
FV – элемент защиты по напряжению
GB – батарея
HG – символьный индикатор
HL – прибор световой сигнализации
HA – прибор звуковой сигнализации
KV – реле напряжения
KA – реле токовое
KK – реле электротепловое
KM – магнитный пускатель
KT – реле времени
PC – счетчик импульсов
PF – частотомер
PI – счетчик активной энергии
PR – омметр
PS – регистрирующий прибор
PV – вольтметр
PW – ваттметр
PA – амперметр
PK – счетчик реактивной энергии
PT – часы
QF
QS – разъединитель
RK – терморезистор
RP – потенциометр
RS – шунт измерительный
RU – варистор
SA – выключатель или переключатель
SB – выключатель кнопочный
SF – выключатель автоматический
SK – выключатели, срабатывающие от температуры
SL – выключатели, срабатывающие от уровня
SP – выключатели, срабатывающие от давления
SQ – выключатели, срабатывающие от положения
SR – выключатели, срабатывающие от частоты вращения
TV – трансформатор напряжения
TA – трансформатор тока
UB – модулятор
UI – дискриминатор
UR – демодулятор
UZ – преобразователь частотный, инвертор, генератор частоты, выпрямитель
VD – диод , стабилитрон
VL – прибор электровакуумный
VS – тиристор
VT –
WA – антенна
WT – фазовращатель
WU – аттенюатор
XA – токосъемник, скользящий контакт
XP – штырь
XS – гнездо
XT – разборное соединение
XW – высокочастотный соединитель
YA – электромагнит
YB – тормоз с электромагнитным приводом
YC – муфта с электромагнитным приводом
YH – электромагнитная плита
ZQ – кварцевый фильтр
Графическое обозначение радиоэлементов в схеме
Постараюсь привести самые ходовые обозначения элементов, используемые в схемах:
Резисторы и их виды
а ) общее обозначение
б ) мощностью рассеяния 0,125 Вт
в ) мощностью рассеяния 0,25 Вт
г ) мощностью рассеяния 0,5 Вт
д ) мощностью рассеяния 1 Вт
е ) мощностью рассеяния 2 Вт
ж ) мощностью рассеяния 5 Вт
з ) мощностью рассеяния 10 Вт
и ) мощностью рассеяния 50 Вт
Резисторы переменные
Терморезисторы
Тензорезисторы
Варисторы
Шунт
Конденсаторы
a ) общее обозначение конденсатора
б ) вариконд
в ) полярный конденсатор
г ) подстроечный конденсатор
д ) переменный конденсатор
Акустика
a ) головной телефон
б ) громкоговоритель (динамик)
в ) общее обозначение микрофона
г ) электретный микрофон
Диоды
а ) диодный мост
б ) общее обозначение диода
в ) стабилитрон
г ) двусторонний стабилитрон
д ) двунаправленный диод
е ) диод Шоттки
ж ) туннельный диод
з ) обращенный диод
и ) варикап
к ) светодиод
л ) фотодиод
м ) излучающий диод в оптроне
н ) принимающий излучение диод в оптроне
Измерители электрических величин
а ) амперметр
б ) вольтметр
в ) вольтамперметр
г ) омметр
д ) частотомер
е ) ваттметр
ж ) фарадометр
з ) осциллограф
Катушки индуктивности
а ) катушка индуктивности без сердечника
б ) катушка индуктивности с сердечником
в ) подстроечная катушка индуктивности
Трансформаторы
а ) общее обозначение трансформатора
б ) трансформатор с выводом из обмотки
в ) трансформатор тока
г ) трансформатор с двумя вторичными обмотками (может быть и больше)
д ) трехфазный трансформатор
Устройства коммутации
а ) замыкающий
б ) размыкающий
в ) размыкающий с возвратом (кнопка)
г ) замыкающий с возвратом (кнопка)
д ) переключающий
е ) геркон
Электромагнитное реле с разными группами контактов
Предохранители
а ) общее обозначение
б ) выделена сторона, которая остается под напряжением при перегорании предохранителя
в ) инерционный
г ) быстродействующий
д ) термическая катушка
е ) выключатель-разъединитель с плавким предохранителем
Тиристоры
Биполярный транзистор
Однопереходный транзистор
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.
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.
Сегодня мы рассмотрим схему, позволяющую изменять полярность прикладываемого к нагрузке постоянного напряжения.
Необходимость изменять полярность напряжения часто возникает при управлении двигателями или в схемах мостовых преобразователей напряжения. Например, для двигателей постоянного тока это необходимо для изменения направления вращения, а шаговые двигатели или импульсные мостовые DC-DC преобразователи без решения этой задачи вообще не будут работать.
Итак, ниже вы можете видеть схему, которую за внешнюю схожесть с буквой H принято называть H-мостом.
К1, К2, К3, К4 — управляемые ключи
A, B, C, D — сигналы управления ключами
Идея этой схемы очень проста:
Если ключи K1 и К4 замкнуты, а ключи К2 и К3 разомкнуты, то к точке h1 оказывается приложено напряжение питания, а точка h2 замыкается на общий провод. Ток через нагрузку в этом случае течёт от точки h1 к точке h2.
Если сделать наоборот, — ключи К1 и К4 разомкнуть, а ключи К2 и К3 замкнуть, то полярность напряжения на нагрузке изменится на противоположную, — точка h1 окажется замкнута на общий провод, а точка h2 — на шину питания. Ток через нагрузку теперь будет течь от точки h2 к точке h1.
Кроме смены полярности, h-мост, в случае управления электродвигателем, добавляет нам и ещё один бонус — возможность закоротить концы обмоток, что ведёт к резкому торможению нашего движка. Такой эффект можно получить замкнув одновременно либо ключи К1 и К3, либо ключи К2 и К4. Назовём такой случай «режимом торможения». Справедливости ради стоит отметить, что этот бонус H-моста используется значительно реже, чем просто смена полярности (позже будет понятно почему).
В качестве ключей может выступать всё, что угодно: реле, полевые транзисторы, биполярные транзисторы. Промышленность делает H-мосты встроенными в микросхемы (например, микросхема LB1838, драйвер шагового двигателя, содержит два встроенных H-моста) и выпускает специальные драйверы для управления H-мостами (например драйвер IR2110 для управления полевиками). В этом случае, разработчики микросхем конечно стараются выжать максимум бонусов и устранить максимум нежелательных эффектов. Понятно, что такие промышленные решения справляются с задачей лучше всего, но радиохламеры народ бедный, а хорошие микросхемы стоят денег, поэтому мы, ясен пень, будем рассматривать чисто самопальные варианты мостов и схем управления ими.
В самопальщине (то бишь в радиолюбительской практике) чаще всего используют H-мосты либо на мощных MOSFET-ах (для больших токов), либо на биполярных транзисторах (для небольших токов).
Довольно часто сигналы управления ключами попарно объединяют. Объединяют их таким образом, чтобы от одного внешнего сигнала управления формировалось сразу два сигнала управления в нашей схеме (то есть сразу на два ключа). Это позволяет сократить количество внешних сигналов управления с четырёх до двух штук (и сэкономить 2 ноги контроллера, если у нас контроллерное управление).
Объединяют сигналы чаще всего двумя способами: либо A объединяют с B, а C объединяют с D, либо A объединяют с D, а B объединяют с C. Чтобы обозначить и зафиксировать различия, — назовём способ, когда образуют пары AB и CD «общим управлением противофазными ключами» (эти ключи для изменении полярности прикладываемого к нагрузке напряжения должны работать в противофазе, т.е. если один открывается — другой должен закрываться), а способ, когда образуются пары AD и BC назовём «общим управлением синфазными ключами» (эти ключи для изменении полярности работают синфазно, т.е. либо оба должны открываться, либо оба закрываться).
Чтобы было понятнее о чём идёт речь, — смотрим на рисунок справа. Договоримся далее высокий уровень напряжения считать единицей, а низкий — нулём. В левой части рисунка транзисторы управляются независимо друг от друга. Чтобы открыть верхний транзистор — нужно подать сигнал управления А=0, а чтобы его закрыть — нужно подать А=1. Для открытия и закрытия нижнего транзистора нужно подавать B=1 или В=0. Если с помощью дополнительного транзистора объединить сигналы A и В (смотрим правую часть рисунка), то управлять верхним и нижним транзистором можно одним общим сигналом АВ. Когда АВ=1 оба транзистора открываются, а когда АВ=0 — оба закрываются.
На рисунке слева показан H-мост с общим управлением противофазными ключами, а на рисунке справа — с общим управлением синфазными ключами. У1 и У2 — это узлы, позволяющие из одного внешнего общего сигнала сформировать отдельный сигнал на каждый из работающих в паре ключей.
Теперь давайте подумаем что нам даёт каждый из этих двух способов управления.
При общем управлении противофазными ключами мы легко можем сделать так, чтобы оба верхних или оба нижних ключа оказались открыты (если схема такая, как у нас слева, то это произойдёт при AB=CD), то есть нам доступен режим торможения. Однако минус в том, что при таком способе управления мы практически наверняка получим сквозные токи через транзисторы, вопрос будет только в их величине. В проиышленных микрухах для борьбы с этой проблемой вводят специальную цепь задержки для одного из транзисторов.
При общем управлении синфазными ключами мы легко можем побороть сквозные токи (просто нужно сначала подавать сигнал на выключение той пары транзисторов, которая используется в настоящий момент, а уже потом сигнал на включение той пары, которую мы планируем использовать). Однако при таком управлении про режим торможения можно забыть (даже более того, если мы случайно одновременно подадим на оба внешних управляющих сигнала единицу — мы устроим в схеме КЗ).
Поскольку получить сквозные токи гораздо более кислый вариант (бороться с ними непросто), то обычно предпочитают забыть про режим торможения.
Кроме всего вышеперечисленного необходимо понимать, что при частых постоянных переключениях (в преобразователях или при управлении шаговиками), для нас будет принципиально важно не только избежать возникновения сквозных токов, но и добиться максимальной скорости переключения ключей, поскольку от этого зависит их нагрев. Если же мы используем h-мост просто для реверса двигателя постоянного тока, то тут скорость переключения не имеет такого критического значения, поскольку переключения не имеют систематического характера и ключи даже в случае нагрева скорее всего успеют остыть до следующего переключения.
Вот в общем-то и вся теория, если вспомню ещё что-нибудь важное — обязательно напишу.
Как вы понимаете, практических схем H-мостов, как и вариантов управления ими, можно придумать достаточно много, поскольку, как мы уже разобрались, важно учитывать и максимальный ток, и скорость переключения ключей, и варианты объединения управления ключами (а также вообще возможность такого объединения), поэтому для каждой практической схемы нужна отдельная статья (с указанием того, где эту конкретную схему целесообразно использовать). Здесь же я приведу для примера лишь простую схемку на биполярных транзисторах, годящуюся, скажем, для управления не очень мощными двигателями постоянного тока (зато покажу, как её рассчитывать).
Итак, пример:
Сам H-мост выполнен на транзисторах T1, T2, T3, T4, а с помощью дополнительных транзисторов T5, T6 выполнено объединение управления синфазными ключами (сигнал A управляет транзисторами T1 и T4, сигнал B — транзисторами T2 и T3).
Работает эта схема следующим образом:
Когда уровень сигнала A становится высоким — начинает течь ток через резистор R2 и p-n переходы БЭ транзисторов T5 и T4, эти транзисторы открываются, в результате чего появляется ток через переход БЭ транзистора T1, резистор R1 и открытый транзистор T5, в результате чего открывается транзистор T1.
Когда уровень сигнала A становится низким — запираются p-n переходы БЭ транзисторов T5 и T4, эти транзисторы закрываются, прекращает течь ток через переход БЭ транзистора T1 и он тоже закрывается.
Как такую схему рассчитать? Очень просто. Пусть у нас напряжение питания 12В, максимальный ток двигателя 1А и сигнал управления также 12-ти вольтовый (состоянию «1» соответствует уровень напряжения около 12В, состоянию «0» — уровень около нуля вольт).
Сначала выбираем транзисторы T1, T2, T3, T4. Подойдут любые транзисторы, способные выдержать напряжение 12В и ток 1А, например, КТ815 (npn) и его комплиментарная пара — КТ814 (pnp). Эти транзисторы рассчитаны на ток до 1,5 Ампер, напряжение до 25 Вольт и имеют коэффициент усиления 40.
Рассчитываем минимальный ток управления транзисторов T1, T4: 1А/40=25 мА.
Рассчитываем резистор R1, полагая, что на p-n переходах БЭ транзисторов T1, T4 и на открытом транзисторе T5 падает по 0,5В: (12-3*0,5)/25=420 Ом. Это максимальное сопротивление, при котором мы получим нужный ток управления, поэтому мы выберем ближайшее меньшее значение из стандартного ряда: 390 Ом. При этом наш ток управления будет (12-3*0,5)/390=27 мА, а рассеиваемая на резисторе мощность: U 2 /R=283 мВт. То есть резистор надо ставить на 0,5 Вт (ну или поставить несколько 0,125 ваттных параллельно, но чтоб их общее сопротивление получилось 390 Ом)
Транзистор T5 должен выдерживать всё те же 12В и ток 27 мА. Подойдёт, например, КТ315А (25 Вольт, 100 мА, минимальный коэффициент усиления 30).
Рассчитываем его ток управления: 27 мА / 30 = 0,9 мА.
Рассчитываем резистор R2, полагая, что на переходах БЭ транзисторов T5 и T4 падает по 0,5 В: (12-2*0,5)/0,9 = 12 кОм. Опять выбираем ближайшее меньшее значение из стандартного ряда: 10 кОм. При этом ток управления T5 будет 1,1 мА и на нём будет рассеиваться 12,1 мВт тепла (то есть подойдёт обычный резистор на 0,125 Вт).
Вот и весь расчёт.
Далее хотелось бы поговорить вот о чём. В приведённых в статье теоретических схемах H-мостов у нас нарисованы только ключи, однако в рассматриваемом примере, кроме ключей присутствуют ещё одни элементы — диоды. Каждый наш ключ шунтирован диодом. Зачем это сделано и можно ли сделать как-то иначе?
В нашем примере мы управляем элетродвигателем. Нагрузкой, на которой мы переключаем полярность с помощью H-моста, является обмотка этого двигателя, то есть нагрузка у нас индуктивная. А у индуктивности есть одна интересная особенность — ток через неё не может измениться скачком.
Индуктивность работате как маховик — когда мы его раскручиваем — он запасает энергию (и мешает раскручиванию), а когда мы его отпускаем — он продолжает крутиться (расходуя
запасённую энергию). Так и катушка, — когда к ней прикладывают внешнее напряжение — через неё начинает течь ток, но он не резко вырастает, как через резистор, а постепенно, поскольку часть передаваемой источником питания энергии не расходуется на разгон электронов, а запасается катушкой в магнитном поле. Когда мы это внешнее напряжение убираем, — ток через катушку тоже не спадает мгновенно, а продолжает течь, уменьшаясь постепенно, только теперь уже на поддержание этого тока расходуется запасённая ранее в магнитном поле энергия.
Так вот. Посмотрим ещё раз наш самый первый рисунок (вот он, справа). Допустим у нас были замкнуты ключи К1 и К4. Когда мы эти ключи размыкаем, у нас через обмотку продолжает течь ток, то есть заряды продолжают перемещаться от точки h1 к точке h2 (за счёт энергии, накопленной обмоткой в магнитном поле). В результате этого перемещения зарядов, потенциал точки h1 падает, а потенциал точки h2 вырастает. Возникновение разности потенциалов между точками h1 и h2 при отключении катушки от внешнего источника питания известно также как ЭДС самоиндукции. За то время, пока мы открываем ключи K3 и К2, потенциал точки h1 может упасть значительно ниже нуля, также как и потенциал точки h2 может вырасти значительно выше потенциала шины питания. То есть наши ключи могут оказаться под угрозой пробоя высоким напряжением.
Как с этим бороться? Есть два пути.
Первый путь. Можно зашунтировать ключи диодами, как в нашем примере. Тогда при падении потенциала точки h1 ниже уровня общего провода откроется диод D3, через который с общего провода в точку h1 потечёт ток, и дальнейшее падение потенциала этой точки прекратиться. Аналогично, при росте потенциала точки h2 выше потенциала шины питания откроется диод D2, через который потечёт ток из точки h2 на шину питания, что опять же предотвратит дальнейший рост потенциала точки h2.
Второй путь основан на том факте, что при перекачивании зарядов из одной точки схемы в другую, изменение потенциалов между этими двумя точками будет зависеть от ёмкости схемы между этими точками. Чем больше ёмкость — тем больший заряд нужно переместить из одной точки в другую для получения одной и той же разности потенциалов (подробнее читайте в статье «Как работают конденсаторы»). Исходя из этого можно ограничить рост разности потенциалов между концами обмотки двигателя (а, соответственно, и рост разности потенциалов между точками h1, h2 и шинами питания и земли), зашунтировав эту обмотку конденсатором. Это, собственно, и есть второй путь.
На этом на сегодня всё, удачи!
