🌱 Sensor-Actuator 10. Nguyên lý mạch cầu H

    Bài viết trước mình đã giới thiệu về Động cơ điện một chiều - DC Motor và các bài toán liên quan đến động cơ này. Bài toán mà chúng ta thường gặp nhất chính là bài toán điều khiển động cơ. Giống như việc điều khiển một bánh xe quay tròn, thì điều khiển động cơ ở đây là điều khiển Chiều quay và Tốc độ của động cơ. 

    Và để phục vụ cho bài toán này, phương án tối ưu nhất là chúng ta sử dụng nguyên lý mạch cầu H - hỗ trợ điều khiển cả tốc độ và đảo chiều động cơ.

    👉 Nguyên lý mạch cầu H

    Về cơ bản một mạch cầu H sẽ có dạng như hình bên dưới (giống hình chữ H nên mới có tên gọi như vậy).

    Mạch sẽ bố trí theo hình chữ H với DC motor ở trung tâm, xung quanh sẽ có 4 khóa (S1, S2, S3, S4 như hình). Các khóa này có nhiệm vụ điều hướng dòng diện chạy qua động cơ, cũng như điều khiển tốc độ động cơ khi điều chỉnh "độ mở" của khóa. Cụ thể:

• Khi S1 và S4 đóng, S2 và S3 mở, dòng điện sẽ chạy theo chiều (+) sang (-) của động cơ.
• Khi S1 và S3 mở, S2 và S3 đóng, dòng điện sẽ chạy theo chiều ngược lại từ (-) sang (+) của động cơ.
• Không bao giờ S1 và S2, hoặc S3 và S4 cùng đóng vì sẽ gây ngắn mạch, vì vậy các IC mạch cầu H sẽ có các cơ chế để bảo vệ việc này.

    👉 Mạch cầu H trong thực tế

    Trong thực tế, đối với thiết bị điện-điện tử thì những khóa này có thể là Transistor, Mosfet, IGBT, ... Và sử dụng tùy vào diện áp, công suất, dòng điện tối đa, ... của động cơ sử dụng.  

    Dưới đây là ví dụ về một mạch cầu H trong thực tế sử dụng transistor - BJT:

    Người ta sẽ thiết kế các transistor mắc ngược nhau như trên để tránh việc ngắn mạch như đã nói ở trên. Đối với loại mạch cầu H này, chúng ta chỉ cần điều khiển tín hiệu điện áp vào 2 chân A, B để có thể đảo chiều động cơ:

• A = LOW, B = HIGH
  Trường hợp này Q1 và Q4 sẽ mở còn Q2 và Q3 sẽ đóng. Dòng điện sẽ từ cực (+) qua cực (-) của động cơ. Có thể nói động cơ quay thuận.
• A = HIGH, B = LOW
  Ngược lại với trường hợp trên, Q1 và Q4 đóng, còn Q2 và Q3 mở. Dòng điện sẽ đi từ cực (-) qua cực (+) của động cơ. Động cơ sẽ quay nghịch so với trường hợp trên.
• A = B = LOW hoặc A = B = HIGH
  Trường hợp này Q1 và Q2 sẽ cùng đóng/mở, còn Q3 và Q4 sẽ ngược lại với Q1/Q2. Trường hợp này không có dòng qua động cơ, và động cơ sẽ không quay.

    👉 Điều khiển tốc độ động cơ

    Trên đây chúng ta đã nói về tính năng đảo chiều động cơ, mạch cầu H còn một chức năng quan trọng nữa là điều khiển tốc độ động cơ. Và dựa vào sơ đồ của mạch, dễ dàng nhận ra chúng ta có thể điều khiển được tốc độ động cơ thông qua điện áp phần ứng (Phương pháp điều khiển động cơ đã nói ở bài trước).

    ⇒ Trong trường hợp này, để điều khiển điện áp phần ứng, phương án tốt nhất là PWM - Pulse Width Modulation.

    Với trường hợp mạch như trên, chúng ta có thể đặt xung PWM vào 2 chân A, B để từ đó đóng/mở các khóa Q1 → Q4. 

• Với độ rộng xung = 100%, các transistor sẽ mở với điện áp cực đại (bằng điện áp cung cấp Vcc), trường hợp này tốc độ động cơ là lớn nhất.
• Với độ rộng xung là a% (0 < a < 100), các transistor sẽ mở với điện áp bằng
  Vcc * a/100. Động cơ sẽ quay với tốc độ chậm hơn, tùy vào tính toán. 

     👉 Một số IC sử dụng

    Đối với mạch cầu H, có rất nhiều IC, mạch điện tử được thiết kế theo nguyên lý này để phục vụ việc điều khiển động cơ, tùy việc vào nhu cầu thực tế người ta có thể chọn loại thiết kế bởi khóa BJT, MOSFET, IGBT, ... hoặc chọn mạch tùy thuộc vào điện áp, dòng điện, công suất, ...

    💬 IC SN754410

    IC này có thể dùng để điều khiển 2 động cơ, và hoạt động theo nguyên lý mạch cầu H.

    🔻 Thông số kỹ thuật

• Điện áp hoạt động tối đa: 36V 
• Cường độ dòng điện tối đa cấp cho mỗi động cơ: 1.1A 
• Cường độ dòng điện tối đa trong toàn mạch: 2A 
• Công suất tỏa nhiệt tối đa: 2075mW 
• Điện áp ở mức HIGH: 2V - 5.5V 
• Điện áp ở mức LOW: -0.3V - 0.8V

    🔻 Sơ đồ chân

• Motor Power IN là chân cấp nguồn cho động cơ hoạt động (phụ thuộc vào loại động cơ chúng ta sử dụng).
• +5V là chân cấp nguồn 5V cho IC.
• M1 Forward và M1 Reverse là 2 chân điều khiển động cơ M1 của mạch cầu H. 
• M2 Forward và M2 Reverse là 2 chân điều khiển động cơ M2 của mạch cầu H. 
• M1 Enable và M2 Enable là 2 chân đóng ngắt động cơ M1, M2. Cấp điện áp LOW cho chúng để dừng động cơ và HIGH (5V) để cho phép động cơ hoạt động. 

    💬 IC và mạch L298

    Module mạch L298 cũng là một module cực kỳ thông dụng để điều khiển các động cơ vừa và nhỏ theo nguyên lý mạch cầu H, với cách sử dụng đơn giản và giá thành rẻ. Mạch L298 là tích hợp từ IC L298N cùng với mạch bảo vệ và các chân để sử dụng.

    🔻 Thông số kỹ thuật

• Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H nên có thể điều khiển 2 động cơ
• Điện áp điều khiển: +5 V ~ +12 V 
• Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A (=>2A cho mỗi motor) 
• Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V 
• Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA 
• Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃)

    🔻 Sơ đồ chân

• +12V power, +5V power - 2 chân cấp nguồn trực tiếp đến động cơ
• Power GND - Chân tham chiếu GND cho việc cấp nguồn
• Output A và Output B để cấp điện áp đầu ra cho 2 động cơ
• Jump A enable và B enable - Cung cấp tín hiệu PWM cho 2 động cơ A và B
• 4 chân Input. IN1, IN2, IN3, IN4 - 4 chân đầu vào tương ứng để điều khiển 2 động cơ A và B
• IN1 và IN2 để đảo chiều động cơ A (khi tín hiệu 2 chân này nghịch nhau). Động cơ dừng khi IN1 = IN2.
• IN3 và IN4 để đảo chiều động cơ B (khi tín hiệu 2 chân này nghịch nhau). Động cơ dừng khi IN3 = IN4.

    Với nguyên lý trên thì việc kết nối và điều khiển vô cùng đơn giản với bất cứ vi điều khiển nào.

>>>= Follow ngay =<<<

💚 Kênh Youtube Lập trình - Điện tử 💚

Để nhận được những bài học miễn phí mới nhất nhé 😊

        Chúc các bạn học tập tốt 😊

Sensor-Actuator 9        Sensor-Actuator 11