Крошечные драйверы H-Bridge - Основы: 6 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:47

Привет и добро пожаловать обратно в другой учебник! В предыдущем я показал вам, как создавал катушки в KiCad с помощью скрипта Python. Затем я создал и протестировал несколько вариантов катушек, чтобы увидеть, какая из них работает лучше всего. Моя цель - заменить огромные электромагниты в механическом 7-сегментном дисплее катушками печатной платы.

В этом руководстве я расскажу об основах H-моста и покажу вам, как я буду использовать его для управления сегментами. Наконец, я познакомлю вас с некоторыми H-образными мостами в крошечных упаковках, доступных на рынке.

Давайте начнем

Шаг 1: План

В первоначальной сборке я устроил так, что когда на катушку подается напряжение, она противодействует или толкает магнит вместе с сегментом. Но когда катушка обесточена, магнит притягивается к сердечнику электромагнита и, таким образом, сегмент возвращается в исходное положение. Ясно, что это не сработает, поскольку в катушке печатной платы нет сердечника. На самом деле у меня была одна катушка с отверстием посередине для сердечника, но она не работала.

Без сердечника сегмент останется в своем новом положении, даже если катушка обесточена. Чтобы вернуть сегмент в исходное положение, ток через катушку должен быть реверсирован, что, в свою очередь, перевернет полюса и на этот раз притянет магнит.

Шаг 2: Основы H-Bridge

Требуемое реверсирование тока достигается с помощью схемы, состоящей из 4 переключателей, расположенных в форме заглавной буквы H, отсюда и название H-Bridge. Это чаще всего используется для изменения направления вращения двигателя постоянного тока.

Типичное расположение H-образного моста показано на 1-м рисунке. Нагрузка / двигатель (или катушка печатной платы в нашем случае) помещается между двумя ножками, как показано.

Если переключатели S1 и S4 замкнуты, ток течет, как показано на 3-м рисунке, а когда переключатели S2 и S3 замкнуты, ток течет в противоположном направлении, как показано на 4-м рисунке.

Необходимо следить за тем, чтобы переключатели S1 и S3 или S2 и S4 никогда не были замкнуты, как показано. Это приведет к короткому замыканию в источнике питания и может повредить переключатели.

Я построил эту точную схему на макете, используя 4 кнопки в качестве переключателей и двигатель в качестве нагрузки. Изменение направления вращения на противоположное подтверждает, что направление тока тоже изменилось. Большой!

Но я не хочу сидеть и вручную нажимать кнопки. Я хочу, чтобы микроконтроллер сделал всю работу за меня. Чтобы практически построить эту схему, мы можем использовать полевые МОП-транзисторы в качестве переключателей.

Шаг 3: крошечные H-образные мосты

Для каждого сегмента потребуется 4 полевых МОП-транзистора. Как вы, наверное, догадались, схема управления станет довольно большой для 7 сегментов вместе с некоторыми другими дополнительными компонентами для управления затвором каждого полевого МОП-транзистора, что в конечном итоге сводит на нет мою цель сделать дисплей меньше.

Я мог бы использовать SMD-компоненты, но они все равно были бы большими и сложными. Было бы намного проще, если бы была выделенная ИС. Передайте привет PAM8016, ИС со всеми ранее упомянутыми компонентами в крошечном корпусе размером 1,5 x 1,5 мм!

Взглянув на его функциональную блок-схему в таблице данных, мы можем увидеть H-мост, драйверы затвора, а также защиту от короткого замыкания и тепловое отключение. Направление тока через катушку можно контролировать, обеспечивая только два входа на микросхему. Милая!

Но есть одна проблема. Пайка такой крошечной микросхемы будет кошмаром для человека, у которого единственный опыт пайки оплавлением - это несколько светодиодов и резисторов. Это тоже с помощью утюга! Но я все равно решил попробовать.

В качестве альтернативы я нашел DRV8837, который делает то же самое, но немного больше. В то время как я продолжал искать более простые для пайки альтернативы на LCSC, я наткнулся на FM116B, который снова является тем же самым, но с меньшей выходной мощностью и в корпусе SOT23, который можно даже паять вручную. К сожалению, позже я обнаружил, что не могу заказать его из-за проблем с доставкой.

Шаг 4: Изготовление коммутационных плат

Прежде чем внедрять ИС в окончательную печатную плату, я сначала хотел проверить, могу ли я управлять сегментами по своему желанию. Как видите, микросхемы не подходят для макетных плат, а также мои навыки пайки не настолько хороши, чтобы припаять медные провода непосредственно к ним. Вот почему я решил сделать коммутационную доску, поскольку они недоступны на рынке. Коммутационная плата «выламывает» контакты ИС на печатную плату, которая имеет свои собственные контакты, которые идеально разнесены для макетной платы без пайки, обеспечивая легкий доступ к ИС.

Взгляд на техническое описание помогает решить, какие контакты следует выламывать. Например, в случае DRV8837:

• IC имеет два контакта для источника питания, один для нагрузки / двигателя (VM), а другой для логики (VCC). Поскольку я буду использовать 5 В для обоих, я соединю два контакта вместе.
• Далее идет пин nSleep. Это активный нижний вывод, т.е. подключение его к GND переведет IC в спящий режим. Я хочу, чтобы ИС была активна все время, поэтому я буду постоянно подключать ее к 5В.
• Входы имеют внутренние понижающие резисторы. Так что нет необходимости указывать их на доске.
• В таблице данных также говорится, что на контакты VM и VCC следует установить байпасный конденсатор емкостью 0,1 мкФ.

Помня вышесказанное, я разработал коммутационную плату для микросхем в KiCad и отправил файлы Gerber в JLCPCB для изготовления печатной платы и трафарета. Щелкните здесь, чтобы загрузить файлы Gerber.

Шаг 5: Управление сегментом

Как только я получил свои печатные платы и трафарет от JLCPCB, я собрал плату. Я впервые использовал трафарет и паял крошечные микросхемы. Скрещенные пальцы! Я использовал тканевый утюг в качестве плиты для оплавления паяльной пасты.

Но как я ни старался, под PAM8016 всегда был один паяный мостик. К счастью, DRV8837 удалась с первой попытки!

Далее нужно проверить, могу ли я контролировать сегмент. Согласно таблице данных DRV8837, мне нужно обеспечить ВЫСОКИЙ или НИЗКИЙ для контактов IN1 и IN2. Когда IN1 = 1 и IN2 = 0, ток течет в одном направлении, а когда IN1 = 0 и IN2 = 1, ток течет в противоположном направлении. Оно работает!

Вышеупомянутая установка требует двух входов от микроконтроллера и 14 входов для полного отображения. Поскольку два входа всегда дополняются друг друга, то есть если IN1 имеет высокий уровень, то IN2 имеет низкий уровень, и наоборот, вместо того, чтобы давать два отдельных входа, мы могли бы напрямую отправить сигнал (1 или 0) на один вход, в то время как другой вход задан. после прохождения через ворота НЕ, которые его инвертируют. Таким образом, мы можем управлять сегментом / катушкой, используя только один вход, такой же, как на обычном 7-сегментном дисплее. И это сработало, как и ожидалось!

Шаг 6: Что дальше?

Так что пока все! Следующим и последним шагом будет объединение 7 катушек и драйверов H-Bridge (DRV8837) на одной печатной плате. Так что следите за обновлениями! Сообщите мне свои мысли и предложения в комментариях ниже.

Спасибо, что придерживались конца. Надеюсь, вам всем понравился этот проект и вы узнали что-то новое сегодня. Подпишитесь на мой канал на YouTube, чтобы увидеть больше таких проектов.