Sterowniki Tiny H-Bridge - Podstawy: 6 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:26

Witaj i witaj z powrotem w innym Instruktażowym! W poprzednim pokazałem, jak tworzyłem cewki w programie KiCad za pomocą skryptu Pythona. Następnie stworzyłem i przetestowałem kilka odmian cewek, aby zobaczyć, który z nich działa najlepiej. Moim celem jest zastąpienie ogromnych elektromagnesów w mechanicznym 7-segmentowym wyświetlaczu cewkami PCB.

W tej instrukcji omówię podstawy mostka H i pokażę, jak będę go używać do kontrolowania segmentów. Na koniec przedstawię Wam niektóre mostki H w małych opakowaniach dostępnych na rynku.

Zacznijmy

Krok 1: Plan

W oryginalnej konstrukcji wykonałem takie układy, że gdy cewka jest zasilana, przeciwstawia się lub popycha magnes wraz z segmentem. Ale kiedy cewka nie jest pod napięciem, magnes jest przyciągany do rdzenia elektromagnesu, a tym samym segment wraca do swojej pierwotnej pozycji. Oczywiście to nie zadziała, ponieważ w cewce PCB nie ma rdzenia. Właściwie miałem jedną cewkę z otworem w środku na rdzeń, ale nie działała.

Bez rdzenia segment pozostanie w nowej pozycji, nawet jeśli cewka nie jest pod napięciem. Aby przywrócić segment do pierwotnego położenia, prąd płynący przez cewkę musi zostać odwrócony, co z kolei spowoduje odwrócenie biegunów i tym razem przyciągnięcie magnesu.

Krok 2: Podstawy H-Bridge

Odwrócenie wymaganego prądu uzyskuje się za pomocą obwodu, który składa się z 4 przełączników ułożonych w kształt dużej litery H i stąd nazwa H-Bridge. Jest to najczęściej używane do odwrócenia kierunku obrotów silnika prądu stałego.

Na pierwszym rysunku pokazano typowy układ mostka H. Obciążenie/silnik (lub cewka PCB w naszym przypadku) jest umieszczony między dwiema nogami, jak pokazano.

Jeśli przełączniki S1 i S4 są zamknięte, prąd płynie, jak widać na 3 obrazku, a kiedy przełączniki S2 i S3 są zamknięte, prąd płynie w przeciwnym kierunku, jak widać na 4 rysunku.

Należy uważać, aby przełączniki S1 i S3 lub S2 i S4 nigdy nie były zamknięte, jak pokazano. Spowoduje to zwarcie zasilania i może spowodować uszkodzenie przełączników.

Zbudowałem ten dokładny obwód na płytce stykowej, używając 4 przycisków jako przełączników i silnika jako obciążenia. Odwrócenie kierunku obrotów potwierdza, że zmienił się również kierunek prądu. Świetny!

Ale nie chcę tam siedzieć i ręcznie wciskać przycisków. Chcę, aby mikrokontroler wykonał za mnie pracę. Aby praktycznie zbudować ten obwód, możemy użyć tranzystorów MOSFET jako przełączników.

Krok 3: Małe mostki H

Każdy segment będzie wymagał 4 tranzystorów MOSFET. Jak można sobie wyobrazić, obwód sterujący stanie się dość duży dla 7 segmentów wraz z kilkoma innymi uzupełniającymi się komponentami do napędzania bramki każdego MOSFET-u, co ostatecznie niweczy mój cel zmniejszenia wyświetlacza.

Mógłbym użyć komponentów SMD, ale nadal byłoby to duże i skomplikowane. Byłoby znacznie łatwiej, gdyby istniał dedykowany układ scalony. Przywitaj się z PAM8016, układem scalonym ze wszystkimi wcześniej wymienionymi komponentami w małej obudowie o wymiarach 1,5 x 1,5 mm!

Patrząc na jego funkcjonalny schemat blokowy w arkuszu danych, możemy zobaczyć mostek H, sterowniki bramek wraz z zabezpieczeniem przeciwzwarciowym i termicznym. Kierunek prądu płynącego przez cewkę można kontrolować, dostarczając do chipa tylko dwa wejścia. Słodki!

Ale jest jeden problem. Lutowanie tak malutkiego chipa będzie koszmarem dla osoby, której jedynym doświadczeniem z lutowaniem rozpływowym jest kilka diod i rezystorów. To też za pomocą żelazka! Ale i tak postanowiłem spróbować.

Jako alternatywę znalazłem DRV8837, który robi to samo, ale jest trochę większy. Podczas gdy nadal szukałem łatwiejszych do lutowania alternatyw na LCSC, natknąłem się na FM116B, który jest znowu tym samym, ale z mniejszą mocą wyjściową i w obudowie SOT23, którą można nawet lutować ręcznie. Niestety później odkryłem, że nie mogę go zamówić z powodu problemów z wysyłką.

Krok 4: Tworzenie tablic rozdzielczych

Przed wdrożeniem układów scalonych w ostateczną płytkę drukowaną najpierw chciałem sprawdzić, czy jestem w stanie kontrolować segmenty zgodnie z potrzebami. Jak widać, układy scalone nie są przyjazne dla płytki stykowej, a moje umiejętności lutowania nie są tak dobre, aby bezpośrednio do nich lutować przewody miedziane. Dlatego postanowiłem zrobić breakout board, ponieważ nie są one łatwo dostępne na rynku. Płytka zaciskowa „wyłamuje” styki układu scalonego na płytkę z obwodami drukowanymi, która ma własne styki, które są idealnie rozmieszczone dla płytki stykowej bez lutowania, co zapewnia łatwy dostęp do układu scalonego.

Spojrzenie na arkusz danych pomaga w podjęciu decyzji, które szpilki należy wyłamać. Na przykład w przypadku DRV8837:

• Układ scalony ma dwa piny do zasilania, jeden do obciążenia/silnika (VM), a drugi do logiki (VCC). Ponieważ będę używał 5V dla obu, połączę ze sobą dwa piny.
• Następna jest pinezka nSleep. Jest to aktywny niski pin, tj. podłączenie go do GND spowoduje przejście układu scalonego w tryb uśpienia. Chcę żeby układ scalony był cały czas aktywny i dlatego będę go podłączał na stałe do 5V.
• Wejścia posiadają wewnętrzne rezystory pull-down. Nie ma więc potrzeby podawania tych na tablicy.
• Arkusz danych mówi również o umieszczeniu kondensatora obejściowego 0,1 uF na pinach VM i VCC.

Mając powyższe na uwadze, zaprojektowałem płytkę zaciskową dla układów scalonych w programie KiCad i wysłałem pliki Gerber do JLCPCB w celu wyprodukowania PCB i szablonu. Kliknij tutaj, aby pobrać pliki Gerber.

Krok 5: Kontrolowanie segmentu

Po otrzymaniu płytek drukowanych i szablonu od JLCPCB zmontowałem płytkę. To był mój pierwszy raz, kiedy używałem szablonu i lutowałem malutkie układy scalone. Skrzyżowane palce! Użyłem żelazka do tkanin jako płyty grzejnej do ponownego rozprowadzenia pasty lutowniczej.

Ale bez względu na to, jak bardzo próbowałem, zawsze był jeden mostek lutowniczy pod PAM8016. Na szczęście DRV8837 odniósł sukces już za pierwszym razem!

Następnie sprawdź, czy jestem w stanie kontrolować segment. Zgodnie z arkuszem danych DRV8837 muszę podać WYSOKI lub NISKI na pinach IN1 i IN2. Gdy IN1 = 1 i IN2 = 0, prąd płynie w jednym kierunku, a gdy IN1 = 0 i IN2 = 1, prąd płynie w przeciwnym kierunku. To działa!

Powyższa konfiguracja wymaga dwóch wejść z mikrokontrolera i 14 wejść dla pełnego wyświetlacza. Ponieważ oba wejścia zawsze się uzupełniają, tzn. jeśli IN1 jest WYSOKIE, to IN2 jest NISKI i odwrotnie, zamiast dawać dwa oddzielne wejścia, moglibyśmy bezpośrednio wysłać sygnał (1 lub 0) do jednego wejścia, podczas gdy drugie wejście jest podane po przejściu przez bramkę NOT, która ją odwraca. W ten sposób możemy sterować segmentem/cewką za pomocą tylko jednego wejścia, tak samo jak normalny wyświetlacz 7-segmentowy. I zadziałało zgodnie z oczekiwaniami!

Krok 6: Co dalej?

Na razie to tyle! Kolejnym i ostatnim krokiem byłoby połączenie 7 cewek i sterowników mostka H (DRV8837) na jednej płytce drukowanej. Więc bądźcie na to przygotowani! Daj mi znać swoje przemyślenia i sugestie w komentarzach poniżej.

Dziękuję za trzymanie się do końca. Mam nadzieję, że wszyscy pokochaliście ten projekt i nauczyliście się dzisiaj czegoś nowego. Subskrybuj mój kanał na YouTube, aby zobaczyć więcej takich projektów.