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Au début, conduire un moteur peut sembler une tâche facile - il suffit de brancher le moteur sur le rail de tension approprié et il commencera à tourner. Mais ce n'est pas le moyen idéal pour entraîner un moteur, surtout lorsqu'il y a d'autres composants impliqués dans le circuit. Nous discuterons ici de l'un des moyens les plus couramment utilisés et les plus efficaces pour entraîner des moteurs à courant continu - le circuit H-Bridge.

Conduite du moteur

Le type de moteur le plus courant que vous pourriez rencontrer dans les cercles d'amateurs pour les applications de faible puissance est le moteur 3 V CC illustré ci-dessous. Ce type de moteur est optimisé pour un fonctionnement basse tension à partir de deux cellules 1,5V.

Et le faire fonctionner est aussi simple que de le connecter à deux cellules - le moteur se déclenche instantanément et fonctionne tant que les batteries sont connectées. Bien que ce type de configuration soit bon pour les applications `` statiques '' comme une éolienne ou un ventilateur miniature, lorsqu'il s'agit d'une application `` dynamique '' comme les robots, plus de précision est nécessaire - sous la forme d'un contrôle de vitesse et de couple variables.

Il est évident que la diminution de la tension aux bornes du moteur diminue la vitesse et une batterie déchargée entraîne un moteur lent, mais si le moteur est alimenté par un rail commun à plus d'un appareil, un circuit d'entraînement approprié est nécessaire.

Cela peut même prendre la forme d'un régulateur linéaire variable comme le LM317 - la tension aux bornes du moteur peut être modifiée pour augmenter ou diminuer la vitesse. Si plus de courant est nécessaire, ce circuit peut être construit discrètement avec quelques transistors bipolaires. Le plus gros inconvénient de ce type de configuration est l'efficacité - comme pour toute autre charge, le transistor dissipe toute la puissance indésirable.

La solution à ce problème est une méthode appelée PWM ou modulation de largeur d'impulsion. Ici, le moteur est entraîné par une onde carrée avec un rapport cyclique réglable (le rapport entre le temps de marche et la période du signal). La puissance totale délivrée est proportionnelle au cycle de service. En d'autres termes, le moteur est alimenté pendant une petite fraction de la période de temps - donc avec le temps, la puissance moyenne du moteur est faible. Avec un rapport cyclique de 0%, le moteur est arrêté (aucun courant ne circule); avec un cycle de service de 50%, le moteur tourne à la moitié de la puissance (la moitié de la consommation de courant) et 100% représente la pleine puissance à la consommation de courant maximale.

Ceci est mis en œuvre en connectant le côté haut du moteur et en le pilotant avec un MOSFET à canal N, qui est à nouveau entraîné par un signal PWM.

Cela a des implications intéressantes - un moteur 3V peut être entraîné à l'aide d'une alimentation 12V en utilisant un cycle de service bas car le moteur ne voit que la tension moyenne. Grâce à une conception soignée, cela élimine le besoin d'une alimentation moteur séparée.

Et si nous devons inverser le sens du moteur? Cela se fait généralement en commutant les bornes du moteur, mais cela peut être fait électriquement.

Une option pourrait être d'utiliser un autre FET et une alimentation négative pour changer de direction. Cela nécessite qu'une borne du moteur soit mise à la terre en permanence et l'autre connectée à l'alimentation positive ou négative. Ici, les MOSFET agissent comme un commutateur SPDT.

Cependant, une solution plus élégante existe.

Le circuit de commande de moteur du pont en H

Ce circuit est appelé pont en H car les MOSFET forment les deux courses verticales et le moteur forme la course horizontale de l'alphabet «H». C'est la solution simple et élégante à tous les problèmes de conduite du moteur. La direction peut être modifiée facilement et la vitesse peut être contrôlée.

Dans une configuration à pont en H, seules les paires diagonalement opposées de MOSFET sont activées pour contrôler la direction, comme illustré dans la figure ci-dessous:

Lors de l'activation d'une paire de MOSFET (diagonalement opposés), le moteur voit le courant circuler dans un sens et lorsque l'autre paire est activée, le courant à travers le moteur inverse la direction.

Les MOSFET peuvent être laissés allumés pour la pleine puissance ou PWM-ed pour la régulation de puissance ou désactivés pour laisser le moteur s'arrêter. L'activation des MOSFET inférieur et supérieur (mais jamais ensemble) freine le moteur.

Une autre façon d'implémenter H-Bridge consiste à utiliser 555 minuteries, dont nous avons parlé dans le didacticiel précédent.

Composants requis

Pour le pont en H

docteur moteur
2x MOSFET à canal N IRF3205 ou équivalent
2x MOSFET à canal P IRF5210 ou équivalent
2x résistances 10K (pulldown)
2x condensateurs électrolytiques 100uF (découplage)
2x condensateurs céramiques 100nF (découplage)

Pour le circuit de commande

1x minuterie 555 (toute variante, de préférence CMOS)
1x TC4427 ou tout pilote de porte approprié
2x 1N4148 ou tout autre signal / diode ultra-rapide
1x potentiomètre 10K (synchronisation)
1x résistance 1K (synchronisation)
Condensateur 4.7nF (synchronisation)
Condensateur 4.7uF (découplage)
Condensateur céramique 100nF (découplage)
Condensateur électrolytique 10uF (découplage)
Commutateur SPDT

Schémas pour un circuit de pont en H simple

Maintenant que nous avons écarté la théorie, il est temps de se salir les mains et de construire un pilote de moteur à pont en H. Ce circuit a suffisamment de puissance pour entraîner des moteurs de taille moyenne jusqu'à 20 A et 40 V avec une construction et une dissipation thermique appropriées. Certaines fonctionnalités ont été simplifiées, comme l'utilisation d'un commutateur SPDT pour contrôler la direction.

En outre, les MOSFET côté haut sont à canal P pour plus de simplicité. Avec le circuit d'attaque approprié (avec bootstrap), des MOSFET à canal N pourraient également être utilisés.

Le schéma de circuit complet de ce pont en H utilisant des MOSFET est donné ci-dessous:

Explication de travail

1. La minuterie 555

La minuterie est un simple circuit 555 qui génère un cycle de service d'environ 10% à 90%. La fréquence est définie par R1, R2 et C2. Les fréquences élevées sont préférées pour réduire les gémissements audibles, mais cela signifie également qu'un pilote de porte plus puissant est nécessaire. Le cycle de service est contrôlé par le potentiomètre R2. En savoir plus sur l'utilisation de la minuterie 555 en mode astable ici.

Ce circuit peut être remplacé par n'importe quelle autre source PWM comme un Arduino.

2. Pilote de porte

Le pilote de porte est un TC4427 à deux canaux standard, avec un puits / source de 1,5 A par canal. Ici, les deux canaux ont été mis en parallèle pour plus de courant d'entraînement. Encore une fois, si la fréquence est plus élevée, le pilote de grille doit être plus puissant.

Le commutateur SPDT est utilisé pour sélectionner la jambe du pont en H qui contrôle la direction.

3. Pont en H

C'est la partie active du circuit qui contrôle le moteur. Les portes MOSFET sont normalement tirées vers le bas par la résistance de réduction. Cela entraîne l'activation des deux MOSFET à canal P, mais ce n'est pas un problème car aucun courant ne peut circuler. Lorsque le signal PWM est appliqué aux portes d'un tronçon, les MOSFET à canal N et P sont activés et désactivés en alternance, contrôlant l'alimentation.

Conseils de construction de circuits en H-Bridge

Le plus grand avantage de ce circuit est qu'il peut être mis à l'échelle pour entraîner des moteurs de toutes tailles, et pas seulement des moteurs - tout ce qui nécessite un signal de courant bidirectionnel, comme les onduleurs sinusoïdaux.

Lors de l'utilisation de ce circuit même à faible puissance, un découplage localisé approprié est indispensable à moins que vous ne souhaitiez que votre circuit soit glitch.

De plus, si vous construisez ce circuit sur une plate-forme plus permanente comme un PCB, un grand plan de masse est recommandé, en gardant les parties à faible courant loin des chemins de courant élevé.

Ainsi, ce simple circuit H-Bridge est la solution à de nombreux problèmes de conduite de moteur tels que la gestion bidirectionnelle, la gestion de l'alimentation et l'efficacité.