مدار کنترل جهت چرخش موتور DC با پل H (چپ گرد و راست گرد)

در این پست از سایت اِمیک, یک مدار بسیار کاربردی به نام مدار کنترل جهت چرخش موتور DC با پل H (چپ گرد و راست گرد) قرار داده شده است. این مدار یک درایور موتور DC از نوع پل اِچ (H-Bridge) است که با استفاده از ترانزیستورهای قدرت TIP41 و TIP42 طراحی شده و امکان تغییر جهت چرخش (چپ گرد و راست گرد) و روشن و خاموش کردن موتور را فراهم می‌کند.

استفاده از قطعات ارزان قیمت، در دسترس و مدار نسبتاً ساده، این مدار را به گزینه‌ای مناسب برای پروژه‌های آموزشی، رباتیک و کنترل موتورهای DC تبدیل کرده است. در ادامه در مورد این مدار بیشتر توضیح خواهم داد. شماتیک این مدار کاربردی به صورت زیر است.

مدار بالا از قطعات کاملا معمولی و ارزان قیمتی تشکیل شده است. این قطعات را به راحتی می توانید از فروشگاه های قطعات الکترونیکی تهیه کنید

در این مدار، چهار ترانزیستور قدرت به صورت پل H قرار گرفته‌اند (Q1 تا Q4) و دو ترانزیستور راه‌انداز (Q5 و Q6)، وظیفه کنترل آن‌ها را بر عهده دارند. این روش باعث کاهش تعداد قطعات و ساده‌تر شدن مدار و کاهش جریان مورد نیاز بخش کنترل می‌شود.

عملکرد مدار بالا به این صورت است که مدار دارای دو کلید فشاری با نام های S2 یا Forward و S1 یا Reverse است که جهت چرخش موتور را تعیین می‌کنند. وقتی که هیچ کلیدی فشار داده نشود موتور خاموش می باشد و حرکت نمی کند. وقتی که به عنوان مثال کلید S1 فشار داده شود موتور در یک جهت مثلا چپگرد شروع به چرخش می کند و اگر کلید S2 زده شود موتور در جهت دیگر مثلا راستگرد شروع به چرخش می کند.

مقاومت های R9 و R10 به صورت Pull-up در نظر گرفته شده‌اند تا در حالت عادی یعنی زمانی که کلیدی زده نشده است، ورودی های مدار در سطح ولتاژ مثبت (High) قرار داشته باشند و موتور خاموش بماند. با فشار دادن هر کدام از کلیدها ورودی سمت چپ یا راست برابر صفر منطقی یا زمین (Low) شده و موتور در یک جهت شروع به چرخش می کند.

چرخش چپگرد Reverse

با فشردن کلید Reverse، ورودی سمت چپ زمین (Low) شده و ترانزیستور Q5 هدایت می‌کند. با روشن شدن Q5، ترانزیستورهای قدرت Q1 و Q4 نیز فعال شده و مسیر عبور جریان به شکل زیر برقرار می‌شود:

12V → Q1 → MOTOR → Q4 → GND+

در این حالت موتور در یک جهت مشخص مثلا چپگرد شروع به چرخش می‌کند.

چرخش راستگرد Forward

با فشردن کلید Forward، ترانزیستور Q6 فعال شده و ترانزیستورهای Q3 و Q2 را روشن می‌کند. در نتیجه مسیر جریان به صورت زیر تغییر می‌کند:

12V → Q3 → MOTOR → Q2 → GND+

با معکوس شدن جهت عبور جریان از موتور، جهت چرخش آن نیز معکوس خواهد شد و مثلا راستگرد می شود.

دیودهای D1 تا D4 به عنوان دیود هرزگرد (Flyback Diode) عمل می‌کنند. از آنجا که موتور یک بار سلفی است، هنگام قطع جریان، ولتاژ برگشتی در سیم‌پیچ موتور ایجاد می‌شود که می‌تواند به ترانزیستورهای قدرت آسیب برساند. این دیودها مسیر مناسبی برای تخلیه این انرژی فراهم کرده و از قطعات مدار محافظت می‌کنند.

دیودهای D5 و D6 نیز در بخش کنترل مدار قرار دارند و وظیفه آن‌ها جلوگیری از فعال شدن هم زمان دو جهت چرخش موتور است. با فشردن یکی از کلیدها، این دیودها مسیر کنترل کلید دیگر را غیرفعال می‌کنند تا در هر لحظه فقط یک جهت چرخش انتخاب شود. به این ترتیب، حتی اگر هر دو کلید هم زمان فشرده شوند، آن کلیدی که زودتر (با فاصله زمانی اندک) فشرده شده است، وصل شده و موتور در جهت آن کلید میچرخد و کلید دیگر غیرفعال می شود. در نتیجه مدار دچار اختلال در عملکرد یا اتصال کوتاه نخواهد شد.

اگرچه ترانزیستورهای TIP41 و TIP42 طبق دیتاشیت توانایی عبور جریان‌ تا 6 آمپر را دارند، اما حداکثر جریان موتور مورد استفاده در این مدار به دلیل نحوه راه‌اندازی ترانزیستورها و نوع ترانزیستورها که میزان گرمای زیادی تولید می‌کنند تا 3 آمپر می‌باشد. بنابراین با نصب هیت سینک مناسب روی هر چهار ترانزیستور قدرت (Q1 تا Q4) می‌توان از موتورهایی با جریان نامی ۲ تا ۳ آمپر نیز استفاده کرد.

همانطور که گفته شد مدار بالا امکان تغییر جهت چرخش (چپ گرد و راست گرد) و روشن و خاموش کردن موتور را فراهم می‌کند. اگر که می خواهید امکان کنترل سرعت موتور نیز فراهم شود، کافی است که به جای کلیدها سیگنال PWM را به ورودی مورد نظر خود اعمال کنید تا با تغییر دیوتی سایکل سیگنال PWM، سرعت موتور را کنترل کنید.

توجه کنید که برای ترانزیستورهای قدرت (Q1 تا Q4) حتماً از هیت سینک استفاده کنید تا به دلیل گرم شدن آسیب نبینند. همانطور که مشاهده می کنید موتور مورد نظر در مدار برای کنترل دارای ولتاژ 12 ولت DC است و به همین خاطر تغذیه مدار نیز 12 ولت DC انتخاب شده است که می توانید از هر منبع تغذیه یا آداپتور 12 ولت DC استفاده کنید. مدار بالا برای موتور 12 ولت بهترین عملکرد را دارد البته برای موتورهای ۵ تا ۲۴ ولت DC قابل استفاده است فقط ممکن است نیاز باشد مقدار برخی مقاومت ها برای عملکرد بهینه مقدار کمی تغییر داده شود، همچنین قاعدتاً باید ولتاژ تغذیه مدار را با توجه به ولتاژ موتور انتخاب کنید.

یک PCB مناسب نیز برای مدار بالا طراحی شده که از انتهای مطلب قابل تهیه است.

لیست قطعات:

• مقاومت  R1,R2,R3,R4=120Ω اهم
• مقاومت  R5,R6,R7,R8=2.7K اهم
• مقاومت  R9,R10=10K اهم
• دیود   D1,D2,D3,D4=1N4007
• دیود   D5,D6=1N4148
• ترانزیستور   Q1,Q3=TIP42
• ترانزیستور   Q2,Q4=TIP41
• ترانزیستور   Q5,Q6=BD140
• کلید (S1,S2)

سوالات و نظرات خود را می‌توانید در زیر مطرح کنید.