Mục đích của diode và tụ điện trong mạch động cơ này


33

Tôi đang kết nối một động cơ DC nhỏ với một arduino bằng cách sử dụng bóng bán dẫn NPN bằng các sơ đồ sau mà tôi tìm thấy trên mạng:

Sơ đồ Đấu dây

Mạch hoạt động, và tôi thành công có thể làm cho động cơ chạy. Bây giờ, tôi đang tìm cách hiểu tại sao nó hoạt động theo cách nó làm. Cụ thể, tôi muốn hiểu:

  1. Tại sao các diode và tụ điện được nối song song với động cơ? Họ đóng vai trò gì ở đây?

  2. Tại sao một điện trở cần thiết giữa bóng bán dẫn và chân PWM kỹ thuật số trên arduino? Nó sẽ được an toàn để chạy các mạch mà không có nó?

Câu trả lời:


49

Các diode là để cung cấp một con đường an toàn cho sự khởi động cảm ứng của động cơ. Nếu bạn cố gắng tắt dòng điện trong một cuộn cảm đột ngột, nó sẽ làm cho bất kỳ điện áp nào là cần thiết để giữ cho dòng điện chạy trong thời gian ngắn. Nói cách khác, thông qua hiện tại một cuộn cảm không bao giờ có thể thay đổi ngay lập tức. Sẽ luôn có một số độ dốc hữu hạn.

Động cơ là một phần của cuộn cảm. Nếu bóng bán dẫn tắt nhanh, thì dòng điện vẫn phải chạy qua cuộn cảm trong một thời gian sẽ chảy qua diode và không gây hại. Nếu không có diode, điện áp trên động cơ sẽ lớn đến mức cần thiết để duy trì dòng điện chạy, điều này có thể sẽ cần phải chiên bóng bán dẫn.

Một tụ điện nhỏ chạy qua động cơ sẽ làm giảm tốc độ chuyển đổi điện áp nhanh có thể gây ra ít bức xạ hơn và hạn chế dV / dt mà bóng bán dẫn phải chịu. 100 nF là quá mức cho điều này, và sẽ ngăn chặn hoạt động hiệu quả ở tất cả các tần số thấp. Tôi sẽ sử dụng 100 pF hoặc hơn, có thể lên tới 1 nF.

Các điện trở là để giới hạn hiện tại đầu ra kỹ thuật số phải nguồn và cơ sở bóng bán dẫn phải xử lý. Các bóng bán dẫn BE trông giống như một diode cho mạch bên ngoài. Do đó, điện áp sẽ được giới hạn ở 750 mV hoặc hơn. Giữ một đầu ra kỹ thuật số ở 750 mV khi nó đang cố gắng lái xe đến 5 V hoặc 3,3 V là không thể. Nó có thể làm hỏng đầu ra kỹ thuật số. Hoặc, nếu đầu ra kỹ thuật số có thể cung cấp nhiều dòng điện, thì nó có thể làm hỏng bóng bán dẫn.

1 kΩ lại là một giá trị nghi vấn. Ngay cả với đầu ra kỹ thuật số 5 V, điều đó sẽ chỉ đặt 4,3 mA hoặc hơn thông qua cơ sở. Bạn không hiển thị thông số kỹ thuật cho bóng bán dẫn, vì vậy hãy tính nó có mức tăng tối thiểu được bảo đảm là 50. Điều đó có nghĩa là bạn chỉ có thể tin tưởng vào bóng bán dẫn hỗ trợ dòng điện động cơ 4,3 mA x 50 = 215 mA. Nghe có vẻ thấp, đặc biệt là cho khởi động, trừ khi đây là một động cơ rất nhỏ. Tôi sẽ xem xét những gì đầu ra kỹ thuật số có thể nguồn một cách an toàn và điều chỉnh R1 để rút ra hầu hết điều đó.

Một vấn đề khác là diode 1N4004 không phù hợp ở đây, đặc biệt là vì bạn sẽ bật và tắt động cơ nhanh chóng, theo ngụ ý của "PWM". Diode này là một bộ chỉnh lưu công suất dành cho các tần số dòng điện bình thường như 50-60 Hz. Nó có sự phục hồi rất chậm. Sử dụng một diode Schottky thay thế. Bất kỳ diode Schottky 1 A 30 V chung nào cũng sẽ hoạt động tốt và tốt hơn so với 1N4004.

Tôi có thể thấy mạch này có thể hoạt động như thế nào, nhưng rõ ràng nó không được thiết kế bởi một người thực sự biết họ đang làm gì. Nói chung, nếu bạn thấy một arduino trong một mạch mà bạn tìm thấy trên một nơi nào đó, đặc biệt là một mạng đơn giản, giả sử nó đã được đăng bởi vì tác giả coi đó là một thành tựu lớn. Những người biết những gì họ đang làm và rút ra một mạch như thế này trong một phút không coi đó là giá trị để viết lên một trang web trên. Điều đó khiến những người mất hai tuần để động cơ quay mà không có bóng bán dẫn nổ tung và họ không thực sự chắc chắn mọi thứ sẽ làm gì để viết các trang web này.


7
Bài phê bình của bạn về mạch này rất thú vị, bởi vì tôi nhận ra mạch từ Chương 4 của "Khám phá Arduino" của Jeremy Blum. Tiểu sử của tác giả nói rằng anh ta có EE Master từ Cornell, vì vậy ý ​​tưởng rằng có thể có những vấn đề như thế này không phải là vấn đề mà tôi đã xem xét. Bạn có một đề xuất cho việc học trực giác / phán đoán về những thứ như sử dụng diode nào với chuyển mạch nhanh, tụ điện kích thước nào là đủ hoặc quá nhiều cho ứng dụng, v.v.? Có những cuốn sách có thể giúp đỡ, hoặc chủ yếu là một cái gì đó có kinh nghiệm? Hoặc có thể chỉ cần đọc các tờ spec. Tôi tò mò muốn biết.
Rab

9
@Rab: Tôi đã rất ngạc nhiên khi tôi được dạy về thiết kế nhỏ trong một phần của Master trong EE từ RPI. Cách để có được thực sự tốt ở EE là bắt đầu ở tuổi 12 ít nhất và tinker. Bạn xây dựng lên các dự án lớn hơn và lớn hơn với rất nhiều suy nghĩ tại sao mọi thứ không hoạt động trên đường đi. Vào thời điểm bạn học đại học, bạn đã có một số trực giác làm bối cảnh cho tất cả những điều lý thuyết bạn học được. Sau đó, bạn tiếp tục học hỏi bằng cách trải nghiệm phần còn lại của cuộc đời bạn. Không có nhiều việc phải làm, bạn sẽ không bao giờ giỏi việc đó. Khi nhìn vào sơ đồ, bạn phải thấy điện áp đẩy và dòng điện chạy.
Olin Lathrop

Cảm ơn! Nó đánh tôi như một kỹ năng sẽ được hưởng lợi từ kinh nghiệm và bối cảnh. Tôi đoán thật tốt khi mày mò là phần thú vị.
Rab

1
Trên Arduino Uno, hầu hết các chân PWM làm ~ 500 Hz. Do đó, chu kỳ làm việc tối thiểu là ~ 2 ms. Và điều này là đủ cho thời gian phục hồi ngược tương đối cao trong vài micro giây, phải không? Ý tôi là, thời gian phục hồi đảo ngược vài micrô giây là mức tối đa mà người ta tìm thấy trong bảng dữ liệu 1N400 *, phép đomô tả diode chung .
maxschlepzig

+1 cho đoạn cuối cùng, mặc dù rất đúng, khiến tôi cười khúc khích. Đặc biệt "sơ đồ" luôn khiến tôi nghi ngờ.
Mystère

14

Khi cuộn dây của động cơ mang dòng điện, chúng sẽ tạo ra từ trường. Nó cần năng lượng để làm điều này và năng lượng được lưu trữ trong từ trường. Nếu dòng điện đột ngột bị cắt, từ trường sẽ sụp đổ. Từ trường thay đổi này sẽ tạo ra một dòng điện trong cuộn dây cao hơn nhiều so với thông thường và tạo ra điện áp cao hơn trên các cuộn dây. Nó rất ngắn và có thể khá ấn tượng.

Chìa khóa để tạo ra dòng điện là trường thay đổi. Bạn có thể thấy hiệu ứng tương tự trong một công tắc đèn gia đình. Nếu bạn có các công tắc không phải là loại thủy ngân ("công tắc im lặng"), đôi khi bạn có thể thấy một tia lửa hoặc đèn flash khi bạn tắt đèn. Nếu bạn tình cờ phá vỡ kết nối khi dòng điện xoay chiều gần bằng 0, không có gì xảy ra. Nếu bạn phá vỡ gần đỉnh của dòng điện, hệ thống dây dẫn đến đèn có từ trường cực đại xung quanh nó và nó sẽ sụp đổ với đủ điện áp tăng vọt đến hồ quang trong công tắc đèn.

Lưu ý rằng diode của bạn hướng về phía + của mạch của bạn. Trường thay đổi tạo ra "EMF trở lại" hoặc điện áp đi sai hướng. Năng lượng đi ra khỏi đường ống mà nó đi vào. (Hy vọng tôi có quyền. Tôi sẽ kiểm tra và chỉnh sửa nếu tôi có nó ngược.) Diode sẽ dẫn điện nếu điện thế hoặc điện áp trên cuộn dây động cơ lớn hơn khoảng 0,6 V theo hướng "sai". Đối với DC, điều này là thẳng về phía trước. Đối với PWM, nó giống như AC và mạch đáng tin cậy chất lượng phức tạp hơn.

Như @OlinLathrop đã nói, điện trở cơ sở của bạn có thể hơi lớn. Như các ví dụ điển hình, 2N2222 và 2N3904 có mức tăng beta hoặc hiện tại khoảng 30 tại DC tăng lên với tần số lên tới 300-400. Nếu bạn có nhiều động cơ, bóng bán dẫn sẽ không cung cấp dòng điện hoặc cháy lên. Bạn có thể tính mức tiêu thụ năng lượng trong bóng bán dẫn ở mức khoảng 1W mỗi Ampe và cao hơn nhiều nếu mọi thứ không được điều chỉnh đúng. (Bạn không thể đặt các bóng bán dẫn lưỡng cực song song mà không cần nhiều công việc phụ. Khi chúng làm nóng điện trở đi xuống và nhiều dòng điện hơn và một dòng làm nóng dòng điện nhanh nhất - thường là phá hủy). Bạn có thể thấy các trình điều khiển động cơ nhỏ được bán cho Arduinos có một bộ tản nhiệt hoặc một phần lớn với phần kim loại có nghĩa là được sử dụng với một bộ tản nhiệt.

Các nắp làm mịn các gai hiện tại. Khi chúng trở nên rộng hơn theo thời gian, chúng sẽ có dòng điện cực đại thấp hơn và do đó điện áp tạo ra dòng điện trong mạch ít hơn. Nếu động cơ của bạn có chổi than, bạn đang có dòng chảy bật / tắt với tốc độ động cơ đang quay. Một lần nữa chúng tôi trở lại để thay đổi dòng chảy và thay đổi các lĩnh vực. Đây là nơi nhiễu tần số vô tuyến đến từ. Trải ra các xung hiện tại này có nghĩa là tốc độ thay đổi của dòng điện thấp hơn và kết quả là RFI (Nhiễu tần số vô tuyến) thấp hơn. Tôi sẽ đặt cược rằng nếu bạn đặt một đài phát thanh AM gần mạch của bạn và điều chỉnh nó đến một vị trí không có đài phát thanh, bạn sẽ có thể biết khi nào động cơ đang chạy. Hãy thử mũ kích thước khác nhau và xem nếu bạn phát hiện bất kỳ sự khác biệt.

Khi sử dụng trang web của chúng tôi, bạn xác nhận rằng bạn đã đọc và hiểu Chính sách cookieChính sách bảo mật của chúng tôi.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.