ฉันกำลังต่อมอเตอร์ DC ขนาดเล็กกับอาร์ดิโนโดยใช้ทรานซิสเตอร์ NPN โดยใช้แผนภาพต่อไปนี้ที่ฉันพบทางออนไลน์:
วงจรทำงานได้และฉันสามารถทำให้มอเตอร์ทำงานได้สำเร็จ ตอนนี้ฉันกำลังมองหาที่จะเข้าใจว่าทำไมมันทำงานอย่างที่มันทำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งฉันต้องการที่จะเข้าใจ:
ทำไมไดโอดและตัวเก็บประจุถึงต่อขนานกับมอเตอร์ พวกเขามีบทบาทอะไรที่นี่?
เหตุใดจึงต้องมีความต้านทานระหว่างทรานซิสเตอร์และพิน PWM แบบดิจิตอลบน arduino จะปลอดภัยหรือไม่หากเปิดใช้วงจร
คำตอบ:
ไดโอดคือการให้เส้นทางที่ปลอดภัยสำหรับ kickback อุปนัยของมอเตอร์ หากคุณพยายามปิดกระแสไฟฟ้าในตัวเหนี่ยวนำอย่างกะทันหันมันจะทำให้แรงดันไฟฟ้าใด ๆ ก็ตามที่จำเป็นเพื่อให้กระแสไฟฟ้าไหลในระยะสั้น อีกทางหนึ่งกระแสที่ผ่านตัวเหนี่ยวนำไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ทันที จะมีความชัน จำกัด อยู่เสมอ
มอเตอร์เป็นตัวเหนี่ยวนำบางส่วน หากทรานซิสเตอร์ปิดอย่างรวดเร็วกระแสก็จะยังคงไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำสักครู่จะไหลผ่านไดโอดและไม่ก่อให้เกิดอันตรายใด ๆ หากไม่มีไดโอดแรงดันไฟฟ้าของมอเตอร์จะมีขนาดใหญ่เท่าที่จำเป็นเพื่อให้กระแสไฟฟ้าไหลเวียนซึ่งอาจต้องทอดทรานซิสเตอร์
ขนาดเล็กตัวเก็บประจุข้ามมอเตอร์จะลดความเร็วของการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าได้อย่างรวดเร็วเป็นไปได้ซึ่งเป็นสาเหตุของการฉายรังสีน้อยลงและ จำกัด dV / dt ทรานซิสเตอร์อยู่ภายใต้การ 100 nF มากเกินไปสำหรับสิ่งนี้และจะป้องกันการทำงานที่มีประสิทธิภาพเลย แต่ความถี่ PWM ต่ำ ฉันจะใช้ 100 pF หรือมากกว่านั้นเพื่อเพิ่ม 1 nF
ตัวต้านทานคือการ จำกัด กระแสออกดิจิตอลต้องแหล่งที่มาและฐานทรานซิสเตอร์จะต้องจัดการ ทรานซิสเตอร์ BE ดูเหมือนกับไดโอดต่อวงจรภายนอก แรงดันไฟฟ้าจะถูก จำกัด ที่ 750 mV หรือมากกว่านั้น ถือเอาต์พุตดิจิตอลที่ 750 mV เมื่อพยายามขับไปที่ 5 V หรือ 3.3 V ไม่ได้มาตรฐาน มันอาจสร้างความเสียหายกับสัญญาณดิจิตอล หรือหากเอาต์พุตดิจิตอลสามารถสร้างกระแสได้จำนวนมากก็อาจทำให้ทรานซิสเตอร์เสียหายได้
1 kΩเป็นค่าที่น่าสงสัยอีกครั้ง แม้จะมีเอาต์พุตดิจิตอล 5 V ที่จะใส่เพียง 4.3 mA หรือประมาณฐาน คุณไม่ได้แสดงสเปคของทรานซิสเตอร์ดังนั้นให้คิดว่ามันมีการรับประกันขั้นต่ำ 50 นั่นหมายความว่าคุณสามารถวางใจได้กับทรานซิสเตอร์ที่รองรับ 4.3 mA x 50 = 215 mA ของกระแสมอเตอร์ เสียงต่ำโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการเริ่มต้นเว้นแต่ว่ามันจะเป็นมอเตอร์ขนาดเล็กมาก ฉันจะดูว่าเอาต์พุตดิจิตอลสามารถแหล่งที่มาได้อย่างปลอดภัยและปรับ R1 เพื่อวาดส่วนใหญ่
อีกปัญหาหนึ่งคือไดโอด 1N4004 นั้นไม่เหมาะสมที่นี่โดยเฉพาะเมื่อคุณจะเปิดและปิดมอเตอร์อย่างรวดเร็วตามที่ระบุไว้โดย "PWM" ไดโอดนี้เป็นวงจรเรียงกระแสไฟฟ้าที่มีไว้สำหรับความถี่ของสายไฟปกติเช่น 50-60 Hz มีการกู้คืนช้ามาก ใช้ไดโอด Schottky แทน สามัญ 1 A 30 V Schottky diode นั้นทำได้ดีและดีกว่า 1N4004
ฉันสามารถดูว่าวงจรนี้สามารถทำงานได้ แต่ชัดเจนว่าไม่ได้ถูกออกแบบโดยคนที่รู้ว่าพวกเขากำลังทำอะไรอยู่ โดยทั่วไปถ้าคุณเห็นอาร์ดิโนในวงจรที่คุณพบใน 'สถานที่บางแห่งโดยเฉพาะอย่างยิ่งเป็นเรื่องง่ายสมมติว่ามันถูกโพสต์เพราะผู้เขียนคิดว่ามันเป็นผลงานที่ยอดเยี่ยม ผู้ที่รู้ว่าพวกเขากำลังทำอะไรและดึงวงจรแบบนี้มาใช้ในนาทีไม่คิดว่ามันคุ้มค่าที่จะเขียนหน้าเว็บขึ้นมา นั่นทำให้คนที่ต้องใช้เวลาสองสัปดาห์เพื่อให้มอเตอร์หมุนโดยไม่มีทรานซิสเตอร์ระเบิดขึ้นและพวกเขาก็ไม่แน่ใจว่าทุกอย่างจะเขียนหน้าเว็บเหล่านี้
เมื่อขดลวดมอเตอร์มีกระแสไฟฟ้าไหลเวียนจะสร้างสนามแม่เหล็ก ต้องใช้พลังงานในการทำสิ่งนี้และพลังงานจะถูกเก็บไว้ในสนามแม่เหล็ก หากกระแสไฟฟ้าถูกตัดออกทันทีสนามแม่เหล็กจะพัง สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงนี้จะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสในขดลวดที่สูงกว่าปกติมากและสร้างแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นในขดลวด มันสั้นมากและน่าประทับใจมาก
กุญแจสำคัญในการเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสคือการเปลี่ยนแปลงสนาม คุณสามารถเห็นเอฟเฟกต์เดียวกันในสวิตช์ไฟบ้าน หากคุณมีสวิตช์ที่ไม่ใช่ประเภทปรอท ("สวิตช์เงียบ") บางครั้งคุณจะเห็นประกายไฟหรือแสงแฟลชเมื่อคุณปิดไฟ หากคุณหยุดการเชื่อมต่อเนื่องจากกระแส AC ผ่านเข้าใกล้ศูนย์จะไม่มีอะไรเกิดขึ้น หากคุณเข้าใกล้จุดสูงสุดของกระแสไฟการเดินสายไปยังไฟจะมีสนามแม่เหล็กสูงสุดรอบ ๆ และมันจะยุบตัวด้วยแรงดันไฟฟ้าที่เพียงพอที่จะทำให้โค้งในสวิตช์ไฟ
โปรดสังเกตว่าไดโอดของคุณชี้ไปทางด้าน + ของวงจร ฟิลด์ที่เปลี่ยนแปลงจะสร้าง "back EMF" หรือแรงดันไฟฟ้าไปผิดทาง พลังงานไหลออกมาตามท่อที่มันเข้ามา (หวังว่าฉันมีสิทธิ์นั้นฉันจะตรวจสอบและแก้ไขถ้าฉันมีไว้ข้างหลัง) ไดโอดจะดำเนินการหากศักย์ไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้าข้ามขดลวดมอเตอร์มีค่ามากกว่า 0.6 V ในทิศทางที่ "ผิด" สำหรับ DC นี่คือสิ่งที่ตรงไปตรงมา สำหรับ PWM จะเหมือน AC และวงจรคุณภาพที่เชื่อถือได้นั้นซับซ้อนกว่า
ดังที่ @OlinLathrop กล่าวว่าตัวต้านทานพื้นฐานของคุณอาจมีขนาดใหญ่ขึ้นเล็กน้อย ตัวอย่างทั่วไป 2N2222 และ 2N3904 มีอัตราขยายเบต้าหรือกระแสไฟฟ้าประมาณ 30 ที่ DC ที่มีความถี่สูงถึง 300-400 หากคุณมีมอเตอร์เป็นจำนวนมากทรานซิสเตอร์จะไม่จ่ายกระแสไฟหรือเผาไหม้ คุณสามารถคำนวณการกระจายพลังงานในทรานซิสเตอร์ที่ประมาณ 1W ต่อแอมป์และสูงกว่ามากหากสิ่งต่าง ๆ ไม่ได้รับการปรับแต่งให้ถูกต้อง (คุณไม่สามารถใส่ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ในแบบคู่ขนานได้โดยไม่ต้องทำงานมากนักเนื่องจากความต้านทานความร้อนจะลดลงและมีกระแสมากขึ้น คุณสามารถเห็นไดรเวอร์มอเตอร์เล็ก ๆ ที่ขายสำหรับ Arduinos มีทั้งชุดระบายความร้อนหรือชิ้นส่วนขนาดใหญ่ที่มีส่วนโลหะที่ใช้กับชุดระบายความร้อน
หมวกเรียบออกแหลมปัจจุบัน เมื่อเวลากว้างขึ้นพวกเขาจะลดลงในกระแสสูงสุดและแรงดันไฟฟ้าที่ผลิตในวงจรจะน้อยลง หากมอเตอร์ของคุณมีแปรงคุณจะได้รับกระแสการเปิด / ปิดในอัตราที่มอเตอร์หมุน อีกครั้งที่เรากลับไปเปลี่ยนกระแสและเปลี่ยนเขต นี่คือที่มาของสัญญาณรบกวนจากคลื่นวิทยุ การแพร่กระจายแหลมในปัจจุบันหมายถึงอัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าลดลงและเป็นผล RFI (การรบกวนด้วยคลื่นความถี่วิทยุ) ต่ำกว่า ฉันจะเดิมพันว่าถ้าคุณวางวิทยุ AM ไว้ใกล้ ๆ วงจรของคุณแล้วปรับไปยังจุดที่ไม่มีสถานีวิทยุคุณจะสามารถบอกได้เมื่อมอเตอร์กำลังทำงาน ลองขนาดหมวกแตกต่างกันและดูว่าคุณตรวจพบความแตกต่างใด ๆ