Introduktion

Vi er i stand til at drive en DC motor ved brug af en transistor.. I én retning. Men hvad nu hvis man har lyst til at kunne drive den i to forskellige retninger - både frem OG tilbage - hvad gør man så? Lad mig præsentere H-broen — aktuelt udvalg; kontrollér kompatibilitet!

Så for drivsel i begge retninger tager vi fat i vores DC motor og forbinder den til vores H-bro, så strømmen kan løbe gennem modulet i begge retninger. Måske nemmere sagt end gjort, men dette er konceptet, som lader DC-motoren fungere i begge retninger.

Bloggen forklarer, hvordan en H-bro fungerer, og viser derefter kredsløbets opsætning. Demonstrationen omfatter kode og en henvisning til den anvendte kode. Hvis du kun er interesseret i implementeringen og ikke teorien bag en H-bro — aktuelt udvalg; kontrollér kompatibilitet, klik her!

H-broen er derfor et meget nyttigt værktøj og bruges i mange teknologier. Men hvad er en H-bro og hvordan fungerer den? En H-bro kan faktisk bestå af et sæt transistorer, der samarbejder i et netværk. Dette netværk består typisk af fire transistorer. Retningen af strømmen igennem netværket afhænger af de logiske værdier (HIGH/LOW eller 1 og 0) for de forskellige pins i netværket. Og disse logiske værdier er dikteret ud fra spændingen, der findes over baserne for transistorerne. Vi snakkede om de logiske værdier, HIGH/LOW eller 1 og 0, i bloggen om Digitale Kredsløb.

H-bro — aktuelt udvalg; kontrollér kompatibilitet eksempel - BJT

Lad os se på et H-brokredsløb med to PNP- og to NPN-transistorer, se figur 1.

Figur 1: Illustration af et kredsløb for en H-bro. H-Broen er konstrueret med 4 BJT transistorer - to PNP transistorer (blå) og to NPN transistorer (lilla) og DC motoren er placeret i midten.

På figur 1 ser vi at H-broen er kostrueret af to PNP transistorer (blå) og to NPN transistorer (lilla). Der benyttes her BJT transistorer, da vi allerede har en blog om Analoge Kredsløb, der forklarer lidt om hvordan BJT transistorer fungerer. Som vi også nævner i bloggen om analoge kredsløb, udfører BJT og MOSFET transistorer lignende funktioner. Så både MOSFET's g BJT'er kan bruges i H-broer, og valget af, hvilke der skal bruges afhænger af de specifikke applikationskrav.

Valget mellem MOSFET og BJT afhænger af spænding, strøm, switchingfrekvens, drivkredsløb og databladets sikre arbejdsområde. For MOSFET vurderes blandt andet RDS(on), gate-ladning og switchingtab (se bloggen om effektelektronik for en introduktion).
For BJT vurderes blandt andet VCE(sat), basestrøm og ladningslagring. Ingen type er generelt garanteret hurtigere eller mere overspændingstolerant; valget kræver konkrete databladsværdier og passende beskyttelse. BJT bruges her som et pædagogisk eksempel.

På figur 1 ser vi, at basen for de to transistorer på venstre side af moteren er forbundet til punkt A og at de resterende to transistors baser er forbundet til punkt B. I bunden af figur 1 har vi emitteren for vores NPN transistorer tilkoblet til jord. Øverst i figuren har vi vores PNP forbundet til V_in, som er vores positive spænding. Fidusen her er så, at ved at ændre spændingen over punkt A og B til HIGH /LOW eller 1 og 0, kan vi ændre retningen af strømmen gennem motoren. Der er fire forskellige kombinationer af spændinger over punkt A og B, se figur 2.

Figur 2: Illustration af de fire kombinationer af spændinger over punkt A og B.

Hvis vi trækker vejret dybt og tager en slurk kaffe, så bemærker vi måske at hvis A og B er 0 så vil deres tilhørende PNP transistorer åbne og lade en strøm løbe igennem dem, se figur 3.

Figur 3: Illustration af tilfældet når A og B er 0.

Når A og B er 1 vil NPN transistorne åbnes, se figur 4.

Figur 4: Illustration af tilfældet når A og B er 1.

Hvorfor er det godt at vide? De ideelle koblingstilstande skal undgå direkte strøm fra forsyning til jord, som vist i figur 5. Det forenklede diagram garanterer ikke i sig selv beskyttelse mod gennemskydningsstrøm under skift. 

Figur 5: Illustration af en uønsket direkte strømvej i netværket.

En sådan strømvej ville være en kortslutning, som kan skade transistorerne, og DC motoren ville hverken kunne fungere i den ene eller den anden retning.
Det er altså en strømvej, vi ikke ønsker. I de ideelle stationære tilstande er NPN-transistorerne slukket og PNP-transistorerne tændt, når A og B begge er 0. Når begge er 1, er NPN-transistorerne tændt og PNP-transistorerne slukket. Begge motorterminaler har da samme potentiale. En roterende motor kan stadig give bremsestrøm; ingen drivspænding garanterer ikke nul strøm. 
Disse tilfælde driver derfor ikke DC motoren aktivt i nogen retning. Kun to tilfælde i figur 2 driver DC motoren, se figur 6. 

Figur 6: Tilfælde af drift for motoren set i netværket i figur 1.

Det er altså disse to tilfælde i den grønne cirkel vi er interesserede i og hvert tilfælde vil drive motoren i modsat retning i forhold til hinanden.

For det første af de to tilfælde i den grønne cirkel har vi at A er 1 og B er 0. Strømmen vil da løbe fra V_in igennem PNP transistoren på højre side ved punkt B, gennem motoren og videre ud mod udgangen igennem NPN transistoren ved punkt A, som vist på figur 7.

Figur 7: Tilfældet når A er 1 og B er 0.

For det andet tilfælde i den grønne cirkel har vi at A er 0 og B er 1. Dette vil altså tillade strømmen at løbe igennem motoren i den modsatte retning end ved det forrige tilfælde illustreret på figur 7. Strømmen vil da løbe fra V_in igennem PNP transistoren på venstre side ved punkt A, gennem motoren og videre ud mod udgangen igennem NPN transistoren ved punkt B, som vist på figur 8.


Figur 8: Tilfældet når A er 0 og B er 1.

Sådan kan H-broer ændre retningen og mængden af strøm gennem motoren.

En af de mest almindelige anvendelser af H-broer er i styringen af robotter og andre automatiserede systemer, hvor der er behov for at styre bevægelsen af motorer i forskellige retninger og hastigheder. H-broer kan også anvendes i andre applikationer, såsom i solcelleanlæg, hvor de bruges til at regulere strømmen og spændingen fra solpanelerne.

Derudover er H-broer blevet populære i DIY-elektronik og hobbyprojekter, hvor de kan styre forskellige elektroniske enheder og motorer!

Nu forstår vi, hvordan en H-bro fungerer, så lad os vise, hvordan vi bruger H-broen MX1508 — aktuelt udvalg; kontrollér kompatibilitet i praksis med en mikrocontroller.

Demonstration – MX1508

Følgende kredsløb viser, hvordan Arduino UNO forbindes til H-broen MX1508. Tilslut ledningerne som vist i figur 9.

Figur 9: Kredsløb for H-broen MX1508 og en DC-motor.

Upload følgende kode vist i figur 10 til din Arduino IDE platform. Du kan downloade Arduino IDE platformen her: Link.


Figur 10: Arduino IDE-kode til DC-motordrift i begge retninger. Koden findes og kan kopieres fra dette GitHub-link.

Som koden viser, kører motoren først fremad i 3 sekunder og bagud i 3 sekunder. Derefter stopper den, og PWM-duty-cycle fremad rampes fra 0 til 100%; sekvensen gentages derefter baglæns. En lineær PWM-rampe garanterer ikke konstant mekanisk acceleration.

Påkrævede komponenter

For at lave dette projekt skal du bruge nedenstående komponenter. De fleste komponenter kan findes her på eBits.dk.

Antal	Billede	Komponenter
1		Arduino UNO
1		MX1508 H-Bro — aktuelt udvalg; kontrollér kompatibilitet
7		Kabler (han/han)
1		9 V Batteri
1		DC motor

Bemærk, at andre mikrocontrollere end Arduino UNO kan anvendes.