Jak můžete změnit směr otáčení stejnosměrného motoru?

Ze všech typů stejnosměrných motorů jsou nejběžnější známé komutátorové motory. Jsou univerzální, levné a zpravidla nevyžadují složité řídicí systémy, protože pro jejich provoz stačí konstantní napájecí napětí. Pokud je však nutné upravit rychlost otáčení hřídele nebo režim řízení točivého momentu takového motoru, mohou se objevit určité nuance, které je třeba vzít v úvahu při navrhování „správných“ řídicích obvodů.
„Správným“ rozumíme zařízení, která pracují s maximální účinností a zajišťují vysokou spolehlivost jak motoru samotného, ​​tak součástí obsažených v řídicím obvodu.

Nejběžnější způsob řízení rychlosti stejnosměrného motoru je založen na použití pulzně šířkové modulace (PWM). Jeho podstatou je dodávání motoru unipolárních pravoúhlých impulsů konstantní frekvence, ale proměnného pracovního cyklu (tj. modulovaných v trvání). Čím delší je trvání těchto impulsů (čím nižší je pracovní cyklus), tím vyšší je průměrný proud vinutím a tím vyšší je kroutící moment a rychlost otáčení hřídele motoru.
Nejjednodušší schéma regulace rychlosti otáčení hřídele je na obr. 1. Obr.
Tranzistor s efektem pole MOSFET hraje roli elektronického spínače, který spíná jednu ze svorek motoru na zem. K přepínání dochází v době, kdy má vstupní impuls kladnou polaritu. Čím delší je tato doba, tím větší bude průměrný proud protékat vinutím motoru, tím vyšší bude rychlost otáčení hřídele.
Pokud je frekvence signálu PWM nízká, motor se bude otáčet trhaně. To bude zvláště patrné při malém pracovním cyklu signálu PWM.

Obr. 1 PWM obvod pro řízení rychlosti otáčení hřídele elektromotoru

Při frekvenci stovek (nebo ještě lépe tisíců Hz) motor „vnímá“ průměrnou hodnotu dodané energie a rychlost jeho otáčení se bude měnit úměrně k pracovnímu cyklu.

Jakou frekvenci PWM lze tedy považovat za optimální? Praxe to ukazuje Optimální frekvence PWM je v rozsahu 5 kHz, dole uslyšíte pískání, nahoře – spínací ztráty se zvýší setrvačností spínání výkonných tranzistorů s efektem pole.

Nyní se ponoříme trochu hlouběji do podstaty vstupního signálu, který ovládá klíč, zejména pro ty případy, kdy je generován pomocí mikrokontroléru nebo jiného digitálního zařízení s relativně nízkonapěťovým zdrojem (3 V).
Pokud je motor nízkopříkonový (méně než 1A), pak je vše jednoduché – zapojení na obr. 1 zůstává v platnosti, tranzistor s efektem pole je vybrán ze zařízení s nízkým vypínacím napětím (viz str), pro příklad IRLML2402, a to je vše.

Další věcí je výkonný elektromotor, který je nutné spínat stejně výkonným tranzistorem. Vzhledem k poměrně vysoké vstupní kapacitě výkonového tranzistoru MOSFET musí mít zdroj řídicích impulsů nízký výstupní odpor a poskytovat proud alespoň 200 mA. Kromě toho musí být amplituda těchto impulsů alespoň dvojnásobkem vypínacího napětí spínače pole. Proto se v tomto případě nelze obejít bez měniče MOSFET a může to být buď specializovaný klíčový ovladač IC nebo sestavený z běžných sypkých materiálů.
Takový obvod, vyrobený na 3 tranzistorech, je na obr. 2.
Kromě toho, že budič má potřebnou zatížitelnost, provádí také amplitudovou konverzi nízkonapěťového MC signálu na impulsy, jejichž amplituda se blíží napájecímu napětí budiče.

Obr. 2 Ovladač pro řízení výkonových tranzistorů MOSFET

Jak již asi každý tuší, výstup driveru je připojen ke vstupu výkonového spínače, který ovládá motor (obr. 1).

Nyní se podívejme na zařízení, která zajišťují reverzaci komutátorového stejnosměrného motoru, to znamená, že přepínají směr otáčení jeho hřídele. Pro takové účely se používá především obvod zvaný můstek (obr. 3).

Obr.3 Můstkový obvod pro přepínání směru otáčení elektromotoru

Schéma funguje následovně:
1. Když jsou na vstupy A a B přivedeny úrovně vysokého napětí (rovné napájecímu napětí +Ep), spodní tranzistory T2 a T4 budou v otevřeném stavu a horní tranzistory T1 a T3 budou v sepnutém stavu, tj. na obou svorkách vinutí bude nulové napětí a motor bude bez napětí.
2. Když je na vstup A přivedeno nulové napětí (s vysokou úrovní na B), tranzistor T1 se otevře a T2 sepne, na levé svorce se objeví vysoké napětí (s nulou vpravo), což povede k rotaci motoru ve směru odpovídajícím této polaritě.
3. Když je na vstup B přivedeno nulové napětí (na vysoké úrovni na A), tranzistor T3 se otevře a T4 sepne, na pravé svorce se objeví vysoké napětí (s nulou na levé straně), polarita proudu se změní a motor se bude točit opačným směrem.
4. Pokud je místo nulového napětí přiveden na jeden ze vstupů signál PWM, pak se v závislosti na jeho pracovním cyklu upraví otáčky motoru.
5. Stav odpovídající nulovým úrovním napětí na obou vstupech také není zakázán, protože obě svorky budou mít stejně vysoké napětí +Ep, tj. motor bude bez napětí.

Pokud je výkon motoru nízký a jeho provozní napětí se shoduje s napájecím napětím MK nebo jiných digitálních mikroobvodů, lze můstkový spínač připojit přímo k výstupům IC. V tomto případě je také potřeba volit tranzistory s výkony odpovídajícími elektromotoru (ne příliš vysokými), stejně jako vypínací napětí, která jsou alespoň poloviční než napájecí napětí zařízení.
Pokud je výkon motoru významný (například startovací proud překračuje 1 A) a/nebo jeho provozní napětí je vyšší než napájecí napětí MK, pak musí být můstkový spínač připojen přes budič, jehož příklad zapojení je znázorněn na Obr.

Řetězy jako R1, D1. R4, D4 nejsou často používány v zařízeních popsaných v různých zdrojích informací. Výrazně však zvyšují účinnost a spolehlivost zařízení a vytvářejí takzvanou „mrtvou dobu“ nutnou k zamezení průchozích proudů, tedy překrytí otevřených stavů spínačů při jejich sepnutí. Při použití tranzistorů s efektem pole s vysokým výkonem jsou hodnoty rezistorů R1. R4 by se měl snížit na 51 100 Ohmů.
Ochranné Schottkyho diody, zapojené paralelně k tranzistorům v obvodu, duplikují diody zabudované v polních spínačích a nejsou potřeba při relativně nízkých výkonech elektromotorů. Při použití výkonných motorů je však vhodné tyto diody instalovat – zvýší se tím spolehlivost zařízení.

Zde je několik praktických řídicích obvodů pro kartáčované stejnosměrné motory.

Obr. 4 Schéma pro nastavení otáček komutátorového elektromotoru

Regulátor znázorněný na obr. 4 lze použít s motory, jejichž rozběhový proud nepřesahuje 4 A.
Obvod obsahuje jeden logický čip sestávající ze 6 invertujících Schmittových spouště a jednoho MOSFET tranzistoru.
Trigger D1.1 implementuje PWM generátor s nastavitelným pracovním cyklem a všechny ostatní ventily jsou zapojeny paralelně a jsou navrženy tak, aby zesilovaly výstup generátoru.
Tato konstrukce generátoru na logickém prvku má výhody oproti oblíbenému řešení PWM na časovači NE555, protože neobsahuje analogové prvky (jako je operační zesilovač, komparátor atd.), což poskytuje významné zvýšení odolnosti proti šumu. při proudových rázech při spínání tranzistoru.

Tranzistor IRL510 uvedený ve schématu je pro takové regulátory velmi dobrý, protože má nízké vypínací napětí (méně než 2 V) a malou vstupní kapacitu (asi 250 pF). To na jedné straně umožňuje použití v obvodech s relativně nízkonapěťovým napájením (od 5 V) a na druhé straně neklade vážné požadavky na výkon řídicího signálu. Pokud není možné použít IRL510, má smysl doplnit obvod o tranzistorovou kaskádu, jak bude ukázáno v následujícím zapojení.

A následující schéma (obr. 5) ukazuje schéma zařízení, které umožňuje nejen regulovat otáčky, ale i směr otáčení elektromotoru.

Obr. 5 Schéma pro nastavení otáček komutátorového elektromotoru

Funkční vlastnosti uzlů zahrnutých ve výše uvedeném diagramu byly popsány výše.
Při výběru MOSFET tranzistorů s efektem pole a Schottkyho diod byste měli vycházet z maximálního rozběhového proudu použitého elektromotoru. Vypínací napětí spínače pole musí být alespoň polovina napájecího napětí zařízení.