처음에는 모터를 구동하는 것이 쉬운 작업처럼 보일 수 있습니다. 모터를 적절한 전압 레일에 연결하기 만하면 회전이 시작됩니다. 그러나 이것은 특히 회로에 관련된 다른 구성 요소가있을 때 모터를 구동하는 완벽한 방법은 아닙니다. 여기서는 DC 모터를 구동하는 가장 일반적으로 사용되는 효율적인 방법 중 하나 인 H- 브리지 회로에 대해 설명 합니다.
모터 운전
저전력 애플리케이션을 위해 애호가 서클에서 접할 수있는 가장 일반적인 모터 유형은 아래에 표시된 3V DC 모터입니다. 이러한 종류의 모터는 2 개의 1.5V 셀에서 저전압 작동에 최적화되어 있습니다.
두 개의 셀에 연결하는 것만 큼 간단합니다. 배터리가 연결되어있는 동안 모터가 즉시 작동합니다. 이러한 종류의 설정은 소형 풍차 또는 팬과 같은 '정적'애플리케이션에 적합하지만 로봇과 같은 '동적'애플리케이션의 경우 가변 속도 및 토크 제어의 형태로 더 정밀해야합니다.
모터 양단의 전압을 낮추면 속도가 감소하고 배터리가 방전되면 모터가 느려지는 것은 분명하지만 모터가 공통 레일에서 둘 이상의 장치로 전원이 공급되는 경우 적절한 구동 회로가 필요합니다.
이는 LM317과 같은 가변 선형 레귤레이터의 형태 일 수도 있습니다. 모터 양단의 전압을 변경하여 속도를 높이거나 낮출 수 있습니다. 더 많은 전류가 필요한 경우 몇 개의 바이폴라 트랜지스터를 사용하여이 회로를 신중하게 구축 할 수 있습니다. 설치 이런 종류의 가장 큰 단점은 효율성이다 - 다른 모든 부하처럼, 트랜지스터 모든 원치 않는 힘을 발산.
이 문제에 대한 해결책은 PWM 또는 펄스 폭 변조라는 방법 입니다. 여기서 모터는 조정 가능한 듀티 사이클 (신호주기에 대한 온 시간의 비율)을 가진 구형파에 의해 구동됩니다. 전달되는 총 전력은 듀티 사이클에 비례합니다. 즉, 모터는 짧은 시간 동안 전력이 공급되므로 시간이 지남에 따라 모터의 평균 전력이 낮아집니다. 듀티 사이클이 0 %이면 모터가 꺼집니다 (전류가 흐르지 않음). 듀티 사이클이 50 % 인 경우 모터는 절반 전력 (전류 소비의 절반)으로 작동하고 100 %는 최대 전류 소비에서 최대 전력을 나타냅니다.
이것은 모터 하이 사이드를 연결하고 PWM 신호에 의해 다시 구동되는 N 채널 MOSFET으로 구동함으로써 구현됩니다.
여기에는 흥미로운 의미 가 있습니다. 모터는 평균 전압 만 볼 수 있으므로 낮은 듀티 사이클을 사용하여 12V 전원을 사용하여 3V 모터를 구동 할 수 있습니다. 신중한 설계로 별도의 모터 전원 공급 장치가 필요하지 않습니다.
모터의 방향을 바꿔야한다면 어떨까요? 일반적으로 모터 단자를 전환하여 수행하지만 전기적으로 수행 할 수 있습니다.
한 가지 옵션은 다른 FET와 음의 전원을 사용하여 방향을 전환하는 것입니다. 이를 위해서는 모터의 한 단자가 영구적으로 접지되고 다른 단자는 양극 또는 음극 전원에 연결되어야합니다. 여기서 MOSFET은 SPDT 스위치처럼 작동합니다.
그러나 더 우아한 솔루션이 존재합니다.
H- 브리지 모터 드라이버 회로
이 회로는 MOSFET이 두 개의 수직 스트로크를 형성하고 모터가 알파벳 'H'의 수평 스트로크를 형성하기 때문에 H- 브리지 라고합니다. 모든 모터 구동 문제에 대한 간단하고 우아한 솔루션입니다. 방향은 쉽게 변경 될 수 있고, 속도는 제어 될 수있다.
H- 브리지 구성에서는 아래 그림과 같이 방향을 제어하기 위해 대각선으로 반대되는 MOSFET 쌍만 활성화됩니다.
한 쌍의 (대각선 반대쪽) MOSFET을 활성화하면 모터는 한 방향으로 전류 흐름을보고 다른 쌍이 활성화되면 모터를 통과하는 전류의 방향이 반전됩니다.
MOSFET은 최대 전력을 위해 켜진 상태로 두거나 전력 조절을 위해 PWM-ed를 사용하거나 모터를 정지시키기 위해 끌 수 있습니다. 하단 및 상단 MOSFET을 모두 활성화 (함께하지 않음)하면 모터가 제동 됩니다.
H-Bridge를 구현하는 또 다른 방법은 이전 튜토리얼에서 논의한 555 타이머를 사용하는 것입니다.
필요한 구성 요소
H-Bridge 용- DC 모터
- 2x IRF3205 N- 채널 MOSFET 또는 동급
- 2x IRF5210 P 채널 MOSFET 또는 동급
- 2x 10K 저항기 (풀다운)
- 2x 100uF 전해 커패시터 (디커플링)
- 2x 100nF 세라믹 커패시터 (디커플링)
제어 회로 용
- 1x 555 타이머 (모든 변형, 가급적 CMOS)
- 1x TC4427 또는 적절한 게이트 드라이버
- 2x 1N4148 또는 기타 신호 / 초고속 다이오드
- 1x 10K 전위차계 (타이밍)
- 1x 1K 저항 (타이밍)
- 4.7nF 커패시터 (타이밍)
- 4.7uF 커패시터 (디커플링)
- 100nF 세라믹 커패시터 (디커플링)
- 10uF 전해 커패시터 (디커플링)
- SPDT 스위치
간단한 H- 브리지 회로에 대한 회로도
이제 이론을 이해 했으므로 이제 손을 더럽 히고 H 브리지 모터 드라이버를 만들 차례입니다. 이 회로는 적절한 구조와 히트 싱킹으로 최대 20A 및 40V의 중간 크기 모터를 구동 할 수있는 충분한 전력을 가지고 있습니다. 방향 제어 를위한 SPDT 스위치 사용과 같은 일부 기능이 단순화되었습니다 .
또한 하이 사이드 MOSFET은 단순성을 위해 P 채널 입니다. 적절한 구동 회로 (부트 스트랩 포함)를 사용하면 N 채널 MOSFET도 사용할 수 있습니다.
MOSFET을 사용하는이 H-Bridge 의 전체 회로 다이어그램 은 다음과 같습니다.
작업 설명
1. 555 타이머
타이머는 약 10 %에서 90 %까지 듀티 사이클 을 생성 하는 간단한 555 회로입니다. 주파수는 R1, R2 및 C2로 설정됩니다. 가청 윙윙 거리는 소리를 줄이기 위해 고주파가 선호되지만 이는 또한 더 강력한 게이트 드라이버가 필요함을 의미합니다. 듀티 사이클은 전위차계 R2에 의해 제어됩니다. 여기에서 불안정 모드에서 555 타이머를 사용하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오.
이 회로는 Arduino와 같은 다른 PWM 소스로 대체 할 수 있습니다.
2. 게이트 드라이버
게이트 드라이버는 채널당 1.5A 싱크 / 소스 가있는 표준 2 채널 TC4427 입니다. 여기에서 두 채널은 더 많은 구동 전류를 위해 병렬로 연결되었습니다. 다시 말하지만, 주파수가 더 높으면 게이트 드라이버가 더 강력해야합니다.
SPDT 스위치는 방향을 제어하는 H- 브리지의 다리를 선택하는 데 사용됩니다.
3. H- 브리지
이것은 모터를 제어하는 회로의 작동 부분입니다. MOSFET 게이트는 일반적으로 풀다운 저항에 의해 로우로 풀링됩니다. 이로 인해 두 P 채널 MOSFET이 모두 켜지지 만 전류가 흐르지 않으므로 문제가되지 않습니다. PWM 신호가 한쪽 레그의 게이트에 적용되면 N 및 P 채널 MOSFET이 번갈아 켜지고 꺼져 전원을 제어합니다.
H- 브리지 회로 구성 팁
이 회로의 가장 큰 장점은 모터 뿐만 아니라 사인파 인버터와 같이 양방향 전류 신호가 필요한 모든 모터를 구동하도록 확장 할 수 있다는 것입니다.
저전력 에서도이 회로를 사용할 때 회로에 결함이있는 것을 원하지 않는 한 적절한 국부 디커플링이 필수 입니다.
또한 PCB 와 같은보다 영구적 인 플랫폼에이 회로를 구성 하는 경우 저 전류 부품을 고전류 경로에서 멀리 유지하면서 큰 접지면을 사용하는 것이 좋습니다.
따라서이 간단한 H-Bridge 회로는 양방향, 전력 관리 및 효율성과 같은 많은 모터 구동 문제에 대한 솔루션입니다.