Μικροσκοπικά προγράμματα οδήγησης H-Bridge - Βασικά: 6 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:31

Γεια σας και καλώς ήλθατε ξανά σε ένα άλλο εκπαιδευτικό! Στο προηγούμενο, σας έδειξα πώς δημιούργησα πηνία στο KiCad χρησιμοποιώντας ένα σενάριο python. Στη συνέχεια δημιούργησα και δοκίμασα μερικές παραλλαγές πηνίων για να δω ποια λειτουργεί καλύτερα. Στόχος μου είναι να αντικαταστήσω τους τεράστιους ηλεκτρομαγνήτες στη Μηχανική οθόνη 7 τμημάτων με τα πηνία PCB.

Σε αυτό το Instructable, θα καλύψω τα βασικά μιας γέφυρας H και θα σας δείξω πώς θα το χρησιμοποιήσω για τον έλεγχο των τμημάτων. Τέλος, θα σας παρουσιάσω μερικές από τις γέφυρες H σε μικροσκοπικά πακέτα που διατίθενται στην αγορά.

Ας αρχίσουμε

Βήμα 1: Το σχέδιο

Στην αρχική κατασκευή είχα κάνει ρυθμίσεις με τέτοιο τρόπο ώστε όταν το πηνίο ενεργοποιείται, αντιτίθεται ή σπρώχνει τον μαγνήτη μαζί με το τμήμα. Αλλά όταν το πηνίο απενεργοποιηθεί, ο μαγνήτης έλκεται από τον πυρήνα του ηλεκτρομαγνήτη και έτσι το τμήμα επιστρέφει στην αρχική του θέση. Σαφώς, αυτό δεν πρόκειται να λειτουργήσει καθώς δεν υπάρχει πυρήνας στο πηνίο PCB. Είχα πραγματικά ένα πηνίο με μια τρύπα στη μέση για τον πυρήνα, αλλά δεν λειτούργησε.

Χωρίς τον πυρήνα, το τμήμα θα παραμείνει στη νέα του θέση, παρόλο που το πηνίο είναι απενεργοποιημένο. Για να επαναφέρετε το τμήμα στην αρχική του θέση, το ρεύμα μέσω του πηνίου πρέπει να αντιστραφεί, το οποίο με τη σειρά του θα αναστρέψει τους πόλους και αυτή τη φορά θα προσελκύσει τον μαγνήτη.

Βήμα 2: Βασικά στοιχεία του H-Bridge

Η αντιστροφή του απαιτούμενου ρεύματος επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας ένα κύκλωμα που αποτελείται από 4 διακόπτες διατεταγμένους στο σχήμα του κεφαλαίου γράμματος Η και ως εκ τούτου το όνομα H-Bridge. Αυτό χρησιμοποιείται συχνότερα για να αντιστρέψει την κατεύθυνση περιστροφής ενός κινητήρα DC.

Μια τυπική διάταξη γέφυρας Η φαίνεται στην 1η εικόνα. Το φορτίο/ο κινητήρας (ή το πηνίο PCB στην περίπτωσή μας) τοποθετείται μεταξύ των δύο ποδιών όπως φαίνεται.

Εάν οι διακόπτες S1 και S4 είναι κλειστοί, το ρεύμα ρέει όπως φαίνεται στην 3η εικόνα και όταν οι διακόπτες S2 και S3 είναι κλειστοί, το ρεύμα ρέει προς την αντίθετη κατεύθυνση όπως φαίνεται στην 4η εικόνα.

Πρέπει να ληφθεί μέριμνα ώστε οι διακόπτες S1 και S3 ή S2 και S4 να μην είναι ποτέ κλειστοί όπως φαίνεται στην εικόνα. Κάτι τέτοιο θα βραχυκυκλώσει το τροφοδοτικό και θα μπορούσε να προκαλέσει ζημιά στους διακόπτες.

Έχτισα αυτό το ακριβές κύκλωμα σε ένα breadboard χρησιμοποιώντας 4 κουμπιά ως διακόπτες και έναν κινητήρα ως φορτίο. Η αντιστροφή της κατεύθυνσης περιστροφής επιβεβαιώνει ότι έχει αντιστραφεί και η φορά του ρεύματος. Μεγάλος!

Αλλά δεν θέλω να καθίσω εκεί και να πατήσω χειροκίνητα τα κουμπιά. Θέλω έναν μικροελεγκτή να κάνει τη δουλειά για μένα. Για την πρακτική κατασκευή αυτού του κυκλώματος, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τα MOSFET ως διακόπτες.

Βήμα 3: Μικροσκοπικά H-Bridges

Κάθε τμήμα θα απαιτήσει 4 MOSFET. Όπως πιθανότατα μπορείτε να φανταστείτε, το κύκλωμα ελέγχου θα γίνει αρκετά μεγάλο για 7 τμήματα μαζί με κάποια άλλα συμπληρωματικά εξαρτήματα για να οδηγήσουν την πύλη κάθε MOSFET που τελικά νικά τον στόχο μου να κάνω την οθόνη μικρότερη.

Θα μπορούσα να χρησιμοποιήσω τα εξαρτήματα SMD, αλλά θα ήταν ακόμα μεγάλο και περίπλοκο. Θα ήταν πολύ πιο εύκολο αν υπήρχε ένα ειδικό IC. Πείτε γεια στο PAM8016, ένα IC με όλα τα εξαρτήματα που αναφέρθηκαν προηγουμένως σε ένα μικρό πακέτο 1,5 x 1,5 mm!

Ρίχνοντας μια ματιά στο λειτουργικό μπλοκ διάγραμμα στο φύλλο δεδομένων, μπορούμε να δούμε τη γέφυρα H, τους οδηγούς πύλης μαζί με προστασία βραχυκυκλώματος και θερμική διακοπή λειτουργίας. Η κατεύθυνση του ρεύματος μέσω του πηνίου μπορεί να ελεγχθεί παρέχοντας μόνο δύο εισόδους στο τσιπ. Γλυκός!

Υπάρχει όμως ένα πρόβλημα. Η συγκόλληση ενός τσιπ αυτού του μικροσκοπικού θα είναι ένας εφιάλτης για ένα άτομο του οποίου η μοναδική εμπειρία με τη συγκόλληση επαναφοράς είναι μερικά LED και αντιστάσεις. Και αυτό χρησιμοποιώντας σίδερο! Αποφάσισα, όμως, να το κάνω.

Ως εναλλακτική λύση, βρήκα το DRV8837, το οποίο κάνει το ίδιο πράγμα αλλά είναι λίγο μεγαλύτερο. Ενώ συνέχισα να ψάχνω για πιο εύκολες εναλλακτικές λύσεις συγκόλλησης στο LCSC, συνάντησα το FM116B που είναι πάλι το ίδιο πράγμα, αλλά με λιγότερη ισχύ και σε ένα πακέτο SOT23 που μπορεί να κολληθεί με το χέρι. Δυστυχώς, αργότερα ανακάλυψα ότι δεν μπόρεσα να το παραγγείλω λόγω προβλημάτων αποστολής.

Βήμα 4: Δημιουργία πινάκων Breakout

Πριν από την εφαρμογή των IC στο τελικό PCB, ήθελα πρώτα να δοκιμάσω αν είμαι σε θέση να ελέγξω τα τμήματα όπως επιθυμώ. Όπως μπορείτε να δείτε, τα IC δεν είναι φιλικά προς το breadboard και επίσης οι δεξιότητές μου συγκόλλησης δεν είναι τόσο καλές για να κολλήσετε καλώδια χαλκού απευθείας σε αυτό. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο αποφάσισα να φτιάξω ένα breakout board αφού δεν είναι άμεσα διαθέσιμα στην αγορά. Ένας πίνακας διαρροής "ξεσπάει" τους πείρους του IC σε μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος που έχει τις δικές της καρφίτσες που βρίσκονται τέλεια μεταξύ τους για ένα breadboard χωρίς κόλληση, δίνοντάς σας εύκολη πρόσβαση στη χρήση του IC.

Μια ματιά στο φύλλο δεδομένων σας βοηθά να αποφασίσετε ποιες καρφίτσες πρέπει να σπάσουν. Για παράδειγμα, στην περίπτωση του DRV8837:

• Το IC έχει δύο ακίδες για το τροφοδοτικό, έναν για φορτίο/κινητήρα (VM) και έναν για λογική (VCC). Δεδομένου ότι θα χρησιμοποιήσω 5V και για τα δύο, θα συνδέσω τις δύο ακίδες μαζί.
• Ακολουθεί η καρφίτσα nSleep. Είναι ένας ενεργός χαμηλός πείρος, δηλαδή η σύνδεση με το GND θα θέσει το IC σε κατάσταση αναστολής λειτουργίας. Θέλω το IC να είναι συνεχώς ενεργό και έτσι θα το συνδέω μόνιμα σε 5V.
• Οι είσοδοι έχουν εσωτερικές αντιστάσεις αναδίπλωσης. Επομένως, δεν υπάρχει ανάγκη να παρέχετε αυτούς που βρίσκονται στο ταμπλό.
• Το φύλλο δεδομένων λέει επίσης να τοποθετήσετε έναν πυκνωτή παράκαμψης 0.1uF στις ακίδες VM και VCC.

Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω σημεία, σχεδίασα έναν πίνακα ανάρτησης για τα IC στο KiCad και έστειλα τα αρχεία Gerber στο JLCPCB για κατασκευή PCB και Stencil. Κάντε κλικ εδώ για να κατεβάσετε τα αρχεία Gerber.

Βήμα 5: Έλεγχος ενός τμήματος

Μόλις παρέλαβα τα PCB και το στένσιλ μου από το JLCPCB, συγκέντρωσα τον πίνακα. Αυτή ήταν η πρώτη μου φορά που χρησιμοποιούσα ένα στένσιλ και συγκολλούσα μικροσκοπικά IC. Δάχτυλα σταυρωμένα! Χρησιμοποίησα ένα υφασμάτινο σίδερο ως εστία για να ανανεώσω την πάστα συγκόλλησης.

Αλλά ανεξάρτητα από το πόσο προσπάθησα υπήρχε πάντα μια γέφυρα συγκόλλησης κάτω από το PAM8016. Ευτυχώς, το DRV8837 ήταν επιτυχές στην πρώτη προσπάθεια!

Επόμενο είναι να δοκιμάσω αν είμαι σε θέση να ελέγξω το τμήμα. Σύμφωνα με το φύλλο δεδομένων του DRV8837, πρέπει να παρέχω HIGH ή LOW στις ακίδες IN1 και IN2. Όταν IN1 = 1 & IN2 = 0, το ρεύμα ρέει προς μία κατεύθυνση και όταν IN1 = 0 & IN2 = 1, το ρεύμα ρέει προς την αντίθετη κατεύθυνση. Δουλεύει!

Η παραπάνω ρύθμιση απαιτεί δύο εισόδους από μικροελεγκτή και 14 εισόδους για πλήρη εμφάνιση. Δεδομένου ότι οι δύο είσοδοι συμπληρώνονται πάντα μεταξύ τους, δηλαδή εάν το IN1 είναι Υ HIGHΗΛΟ, τότε το IN2 είναι ΧΑΜΗΛΟ και αντίστροφα, αντί να δώσουμε δύο ξεχωριστές εισόδους, θα μπορούσαμε να στείλουμε άμεσα ένα σήμα (1 ή 0) σε μία είσοδο ενώ δίνεται η άλλη είσοδος αφού περάσει από μια πύλη NOT που την ανατρέπει. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούμε να ελέγξουμε το τμήμα/πηνίο χρησιμοποιώντας μόνο μία είσοδο ίδια με μια κανονική οθόνη 7 τμημάτων. Και λειτούργησε όπως αναμενόταν!

Βήμα 6: Τι ακολουθεί;

Αυτά λοιπόν προς το παρόν! Το επόμενο και τελευταίο βήμα θα ήταν να συνδυάσετε τα 7 πηνία και τα προγράμματα οδήγησης H-Bridge (DRV8837) μαζί σε ένα μόνο PCB. Μείνετε λοιπόν συντονισμένοι για αυτό! Πείτε μου τις σκέψεις και τις προτάσεις σας στα παρακάτω σχόλια.

Σας ευχαριστώ που μείνετε στο τέλος. Ελπίζω ότι όλοι αγαπήσατε αυτό το έργο και μάθατε κάτι νέο σήμερα. Εγγραφείτε στο κανάλι μου στο YouTube για περισσότερα τέτοια έργα.