Доработка схемы управления электродвигателем.

В схеме управления электродвигателем из предыдущей статьи используются четыре бита порта D микроконтроллера, количество используемых битов можно уменьшить что позволит управлять большим количеством двигателей, упростить программу и уменьшить занимаемый объем памяти в микроконтроллере. Если соединить последовательно диоды оптопар открывающих транзисторы на диагонали моста для каждой диагонали то подача сигнала с микроконтроллера на одну из последовательно соединенных пар диодов приведет к открытию транзисторов на одной из диагоналей. Таким образом можно использовать один бит порта для управления транзисторами на одной из диагоналей. Для управления электродвигателем можно использовать одну из схем на рисунке 1 или на рисунке 2.

Рисунок 1 - Схема управления электродвигателем микроконтроллером 1

Рисунок 2 - Схема управления электродвигателем микроконтроллером 2

По идее в первой схеме для открытия нужных транзисторов в соответствующий бит подается ноль, например для открытия транзисторов VT2 и VT3 в нулевой бит порта D (PD0) подается ноль следовательно напряжение на нем падает это приводит к тому что к диодам оптопар DD3 и DD5 прикладывается прямое напряжение в результате этого диоды оптопар светятся а их транзисторы открываются что приводит к открытию транзисторов VT2 и VT3. Во второй схеме открытие происходит при подаче единицы, например при подаче единицы в нулевой бит порта D открываются диоды оптопар DD3 и DD5. 

Управление электродвигателем микроконтроллером ATmega8.

Мостовая схема на транзисторных ключах из предыдущей статьи может применяться для коммутации (включения, отключения, реверса и т.д.) маломощного электродвигателя постоянного тока. Если в качестве ключей S1-S4 в схеме поставить оптопары то таким образом можно осуществить гальваническую развязку мостовой схемы и схемы управления если при этом мостовую схему и схему управления питать разными источниками. На рисунке 1 изображена схема управления электродвигателем микроконтроллером ATmega8 через оптопары и транзисторный мост:

Рисунок 1 - Схема управления электродвигателем микроконтроллером ATmega8

Мост и система управления в схеме на рисунке 1 подключены к разным источникам с одинаковым напряжением 5В. Светодиоды VD1 -VD4 показывают какая пара транзисторов моста работает VT1 и VT4 или VT2 и VT3. В мостовой схеме из предыдущей статьи в цепях коллекторов транзисторов VT3 и VT4 были резисторы с сопротивлением 56 Ом, в этой схеме на рисунке 1 этих резисторов нет так как из за них уменьшается мощность передаваемая двигателю но резисторы в цепях коллекторов транзисторов VT1 и VT2 оставлены для ограничения тока. На видео ниже показана работа собранной схемы:

Ниже приведен исходный код программы на языке C++ для микроконтроллера:

  #include <avr/io.h>
   #include <avr/delay.h>
   #define F_CPU 8000000UL  // 8 MHz


   int main(void)              // начало основой программы
   {
DDRD = 0xff;            /* все выводы порта D сконфигурировать как выходы */
DDRC &= ~(1<<4);      //вывод 4 порта С сконфигурировать как вход

while (1)          // Бесконечный цикл
{            
DDRD |= 1<<1;  
DDRD |= 1<<2;
_delay_ms(250);   // Ждем 250*8 мсек.
DDRD &= ~(1<<1);
DDRD &= ~(1<<2);

_delay_ms(250);   // Ждем 250*8 мсек.

DDRD |= 1<<0;
DDRD |= 1<<3;
_delay_ms(250);   // Ждем 250*8 мсек.
DDRD &= ~(1<<0);
DDRD &= ~(1<<3);

_delay_ms(500);   // Ждем 500*8 мсек.
}
   }      // закрывающая скобка основной программы

Исходный код компилировался в среде WinAVR, hex файл прошивался в микроконтроллер с помощью программы ponyprog2000. В схеме на рисунке 1 транзистор какой либо оптопары должен открываться при подаче нуля в соответствующий порт но несмотря на это микроконтроллер работал как надо после прошивки в него приведенной программы.

Мостовая схема на транзисторах кт940.

   Схема для коммутации электродвигателя из предыдущей статьи обладает недостатком: низким КПД из за того что во время работы двигателя большая часть тока проходит параллельно через коллекторный резистор одного из транзисторов. Такая схема, если считать транзисторы идеальными ключами (с нулевым сопротивлением в открытом состоянии и бесконечным сопротивлением в закрытом ), представляет собой две параллельно соединённые ветви с низким сопротивлением в результате параллельного соединения этих ветвей сопротивление всей цепи ещё больше уменьшается в результате чего на внутреннем сопротивлении источника будет падать большее напряжение и соответственно будет теряться мощность. Для коммутации электродвигателя может быть использована мостовая схема, к тому же такая схема позволяет производить реверс электродвигателя постоянного тока. Мостовая схема лишена рассмотренного недостатка так как в такой схеме при включении нагрузки (если считать транзисторы схемы идеальными ключами) не создаются ветви параллельные ветви с нагрузкой.
На рисунке 1 показана мостовая схема на транзисторных ключах рассмотренных в статье "электронный ключ на транзисторе кт940":
 

Рисунок 1 - Мостовая схема на транзисторных ключах для коммутации электродвигателя

  Для запуска двигателя замыкаются ключи S1 и S4 (ротор двигателя будет вращаться в одну сторону) или S2 и S3 (ротор будет вращаться в другую сторону). Коллекторные резисторы R1, R3, R5, R7 ограничивают ток и задают скорость вращения ротора двигателя.

  Для реализации мостовой схемы требуется больше транзисторов чем для схемы из предыдущей статьи но в мостовой схеме происходит намного меньше потери мощности. В схеме на рисунке 1 в качестве ключей S1-S4 могут быть использованы маломощные транзисторы или оптопары через которые может осуществляться управление мостовой схемой.

Реверс маломощного электродвигателя постоянного тока.

  Триггер рассматриваемый в статье триггер на электронных транзисторных ключах можно использовать не только для запуска и остановки маломощного электродвигателя но и для его реверса. Для этого необходимо изменить схему включения двигателя:

Рисунок 1 - Схема для реверса двигателя

 При подаче питания на схему, в зависимости от параметров элементов, вращение ротора двигателя будет иметь какое-то одно направление. Для изменения направления вращения ротора необходимо изменить состояние триггера, в схеме на рисунке 1 для этого используются кнопки SB1 и SB2. Схема на рисунке 1 не позволяет производить остановку двигателя (после подачи питания двигатель обязательно работает в правиьлно собранной схеме). Для остановки и запуска двигателя можно использовать дополнительный ключ для подачи питания на схему. Если для подачи питания к схеме использовать другой транзисторный ключ то на трёх транзисторах можно реализовать схему для пуска, остановки и реверса электродвигателя. В схеме на рисунке 1 при вращении двигателя часть тока будет проходить параллельно работающему двигателю а часть напряжения падать на одном из резисторов R1 или R4 из за этого КПД схемы будет низким это основной недостаток схемы. Если для пуска и остановки двигателя использовать дополнительный ключ не пропускающий большой ток когда со схемы снято напряжение питания этим ключом то такую схему можно использовать для редких пусков и остановок маломощного двигателя при непродолжительной его работе.

 На видео показано как при подаче питания двигатель начинает вращать колесо на котором находится замыкатель, после одного оборота колеса замыкаются контакты один из которых подсоединён к минусу питания а другой к коллектору закрытого, в данный момент, транзистора после чего триггер меняет своё состояние и ротор двигателя начинает вращаться в другую сторону. 

Триггер на электронных транзисторных ключах.

 Электронный триггер - устройство с двумя устойчивыми состояниями предназначенное для хранения одного бита информации. Триггеры могут быть построены на электронных ключах. В предыдущей статье описан электронный ключ на биполярном транзисторе кт940А если два таких ключа соединить каскадно (выход первого со входом второго) после чего выход второго ключа соединить со входом первого то получится система с двумя устойчивыми состояниями представляющая собой неинвертирующий усилитель охваченный глубокой положительной обратной связью. Рассмотрим схему на рисунке 1:

Рисунок 1 - Триггер на электронных транзисторных ключах

Предположим что после подачи питания на схему открылся транзистор VT2 следовательно потенциал базы транзистора VT1, относительно земли, понизился и транзистор VT1 стал удерживаться в закрытом состоянии. Если на некоторое время замкнуть перемычкой коллектор и эмиттер транзистора VT1 то потенциал базы транзистора VT2, относительно земли, понизится, транзистор VT2 закроется следовательно повысится потенциал базы транзистора VT1 и он будет удерживаться в открытом состоянии таким образом триггер перейдет в другое состояние. Чтобы перевести триггер обратно в первое состояние можно на некоторое время замкнуть перемычкой коллектор и эмиттер транзистора VT2 или замкнуть перемычкой коллектор транзистора VT1 и плюс питания. Данный триггер можно использовать для запуска и остановки маломощного электродвигателя (например двигателя RF-310T-11400 рассчитанного на напряжение 5.9В) при этом триггер будет хранить одно из двух состояний: 1) когда двигатель запущен и работает или 2) когда двигатель остановлен и не работает.

Рисунок 2 - Схема триггера для запуска, остановки электродвигателя (например RF-310T-11400)

Схема на рисунке 2 обладает недостатками: когда двигатель работает часть тока проходит через открытый транзистор VT1, когда двигатель не работает ток проходит через открытый транзистор VT2. Данный триггер можно использовать для управления более мощными элементами коммутации силовых цепей.

На рисунке 3 приведен более безопасный но менее удобный вариант схемы:

Рисунок 3 - Схема триггера для запуска, остановки электродвигателя 2

   

Электронный ключ на кт940.

 Электронный ключ это устройство для коммутации электрических цепей. Рассмотрим схему транзисторного ключа на рисунке1:

Рисунок 1 - Схема транзисторного ключа

При низком напряжении на входе Uвх транзистор VT1 заперт его сопротивление велико и к нагрузке прикладывается напряжение Uвых близкое к напряжению питания. При высоком напряжении на входе Uвх транзистор VT1 открыт его сопротивление мало и к нагрузке прикладывается низкое напряжение Uвых близкое к нулю. Допустим нужен ключ для запуска и остановки электромотора RF-310T-11400 рассчитанного на напряжение 5В, низкое напряжение на входе 0.4В, высокое напряжение на входе 2.4В. Имеется транзистор КТ940А и источник питания с напряжением 5В. Сопротивление Rк найдем из соотношений (1) и (2):

 IКБО=0.05А-максимальный обратный ток коллектора для транзистора КТ940А, E=5В-напряжение источника питания, Iкmax=100мА-максимальный постоянный ток коллектора транзистора КТ940А. Выберем Rк=56Ом. Сопротивление Rб найдем из соотношения (3):

Uвх=2.4В-напряжение на входе.

Выберем Rб=10Ом. Проставим на схеме сопротивления резисторов:

Рисунок 2 - Электронный ключ на транзисторе КТ940А

Если собрать схему на рисунке 2 и через делитель с изменяемым коэффициентом деления ко входу подключить источник с напряжением 3В, к выходу подключить электромотор RF-310T-11400 и задать делителем напряжение на входе 0.4В то ротор мотора будет вращаться:

Если задать делителем напряжение на входе 2.1В то ротор мотора не будет вращаться:

Используемым делителем нельзя выставить напряжение 2.4В при напряжении источника 3В но если ротор вращается при напряжении на входе 2.1В то он будет вращаться и при большем напряжении.