طراحی مدار الکترونیکی H bridge

طراحی مدار الکترونیکی H bridge کار بسیار ساده ای است که به شما امکان کنترل یک موتور DC را برای حرکت دادن رو به جلو یا عقب ربات می دهد.

معمولاً با استفاده از یک میکروکنترلر فرضاً آردوینو می توان موتورها را کنترل کرد. در واقع با استفاده از این مدار می توانید همزمان دو موتور را به عقب یا جلو حرکت دهید و در نهایت ربات خودتان را طراحی کنید.

مدار الکترونیکی H bridge چیست؟

تصویر شماتیک زیر یک مدار الکترونیکی H bridge را نشان می دهد.

یک موتور DC بسته به نحوه اتصال مثبت و منفی، به جلو و عقب حرکت می کند. با توجه به تصویر بالا اگر سوئیچ 1 و 4 را ببندید، مثبت را به سمت چپ موتور و منفی را به سمت دیگر وصل کرده اید و موتور در یک جهت، شروع به حرکت می کند.

حال اگر سوئیچ 2 و 3 را ببندید، مثبت را به سمت راست موتور و منفی را به چپ موتور وصل خواهید کرد و موتور در جهت مخالف حرکت می کند.

چگونه مدار الکترونیکی H bridge را طراحی کنیم؟

می توان با استفاده از چهار ترانزیستور یک مدار الکترونیکی H bridge طراحی کرد.

همانطور که می دانید یک ترانزیستور می تواند همانند یک سوئیچ عمل کند و می توان با استفاده از ولتاژ بیس آن را باز و بسته کرد. تصویر زیر یک مدار H bridge را که با چهار ترانزیستور BJT طراحی شده، نشان می دهد.

از آنجا که ترانزیستور نقش سوئیچ را بازی می کند، می توان با روشن و خاموش کردن این چهار ترانزیستور در مدار بالا، موتور را در هر دو جهت حرکت داد. معمولاً ترانزیستورها را می توان با استفاده از یک میکروکنترلر (آردوینو) کنترل کرد.

چه نوع ترانزیستوری استفاده کنیم؟

ترانزیستوری که در مدار الکترونیکی H bridge می توان استفاده کرد، باید ویژگی های زیر را داشته باشد:

• جریان کافی را کنترل کند.
• در قسمت بالای مدار از ترانزیستور PNP استفاده شود.
• اُفت ولتاژ بین کلکتور و امیتر کم باشد.

جریان

نکته مهم این است که تمامی ترانزیستورها باید جریان کافی موتور را کنترل کنند در غیر این صورت موتور می سوزد. مثلاً اگر موتور به یک آمپر جریان نیاز داشته باشد، باید از ترانزیستورهایی استفاده کنیم که بتوانند حداقل یک آمپر جریان را کنترل کنند.

استفاده از ترانزیستور PNP در بالای مدار الکترونیکی H bridge

همانطور که در تصویر می بینید، در این پروژه در قسمت بالای مدار از ترانزیستورهای PNP و در پایین مدار از ترانزیستورهای NPN استفاده کرده ایم.

آن چیزی که باعث می شود تا ترانزیستور خاموش یا روشن شود، اختلاف ولتاژ بین بیس و امیتر می باشد.

با استفاده از ترانزیستورهای PNP در بالای مدار H bridge ، می توان مقدار ولتاژ VCC را بزرگتر از ولتاژ بیس در ترانزیستورها قرار داد. مثلاً می توانید ولتاژ خروجی میکروکنترلر را 3.3 ولت و VCC را برابر 9 ولت در نظر بگیرید. حال اگر ترانزیستورهای NPN را در بالای مدار قرار دهید، به دلیل اینکه ولتاژ امیتر 0.7 ولت کمتر از بیس خواهد بود، مدار به درستی کار نخواهد کرد. زیرا که 3.3V – 0.7V = 2.6V ولتاژ در سمت مثبت موتور خواهد بود.

اُفت کم ولتاژ بین کلکتور و امیتر

ترانزیستورهای نوع TIP اُفت ولتاژ بالایی ایجاد می کنند و بسیار قدیمی هستند و نباید در اینگونه مدارات از آنها استفاده کرد بلکه بهتر است که از ترانزیستورهایی مثل BD135/BD136 یا MOSFET که اُفت ولتاژ کمی ایجاد می کنند، استفاده کنید.

استفاده از دیودهای حفاظتی در مدار الکترونیکی H bridge

موتور نیز انرژی الکتریکی تولید می کند. هنگامیکه ترانزیستورها را غیرفعال می کنید تا موتور متوقف شود، این انرژی باید به طریقی آزاد شود. اگر برای ترانزیستورها ، دیودهایی را در جهت معکوس قرار دهید، در واقع مسیری برای جریان ایجاد می شود تا این انرژی را آزاد کند. اگر از دیود استفاده نکنید، زمانیکه ولتاژ بالا می رود، ممکن است ترانزیستور بسوزد.

تصویر زیر مدار الکترونیکی H bridge که با استفاده از ترانزیستور BJT و دیود برای حفاظت از موتور طراحی شده را نشان می دهد. مقاومت هایی که وارد بیس می شوند را جهت کاهش میزان جریان ورودی به ترانزیستورها قرار داده ایم.