Tiny H-Bridge-stuurprogramma's - Basis: 6 stappen (met afbeeldingen)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:14

Hallo en welkom terug bij een andere Instructable! In de vorige heb ik je laten zien hoe ik coils in KiCad heb gemaakt met behulp van een python-script. Vervolgens heb ik een paar variaties van spoelen gemaakt en getest om te zien welke het beste werkt. Mijn doel is om de enorme elektromagneten in het mechanische 7-segment display te vervangen door de PCB-spoelen.

In deze Instructable zal ik de basis van een H-brug behandelen en je laten zien hoe ik deze zal gebruiken om de segmenten te besturen. Ten slotte zal ik u kennis laten maken met enkele van de H-bruggen in kleine pakketten die op de markt verkrijgbaar zijn.

Laten we beginnen

Stap 1: Het plan

In de originele build had ik zo'n regeling getroffen dat wanneer de spoel wordt bekrachtigd, deze de magneet tegenwerkt of meeduwt met het segment. Maar wanneer de spoel spanningsloos is, wordt de magneet aangetrokken door de kern van de elektromagneet en keert het segment terug naar zijn oorspronkelijke positie. Het is duidelijk dat dit niet gaat werken omdat er geen kern in de PCB-spoel zit. Ik had eigenlijk een spoel met een gat in het midden voor de kern, maar het werkte niet.

Zonder de kern blijft het segment in zijn nieuwe positie, ook al is de spoel spanningsloos. Om het segment terug naar zijn oorspronkelijke positie te brengen, moet de stroom door de spoel worden omgekeerd, wat op zijn beurt de polen zou omdraaien en deze keer de magneet zou aantrekken.

Stap 2: Basisprincipes van H-Bridge

De vereiste omkering van de stroom wordt bereikt met behulp van een circuit dat bestaat uit 4 schakelaars die zijn gerangschikt in de vorm van de hoofdletter H en vandaar de naam H-Bridge. Dit wordt meestal gebruikt om de draairichting van een gelijkstroommotor om te keren.

Een typische H-brugopstelling wordt getoond in de 1e foto. De belasting/motor (of PCB-spoel in ons geval) wordt tussen de twee poten geplaatst zoals afgebeeld.

Als schakelaars S1 en S4 gesloten zijn, vloeit de stroom zoals te zien in de 3e afbeelding, en wanneer schakelaars S2 en S3 gesloten zijn, vloeit de stroom in de tegenovergestelde richting zoals te zien is in de 4e afbeelding.

Er moet op worden gelet dat schakelaars S1 en S3 of S2 en S4 nooit gesloten zijn zoals afgebeeld. Hierdoor wordt de voeding kortgesloten en kunnen de schakelaars beschadigd raken.

Ik bouwde dit exacte circuit op een breadboard met 4 drukknoppen als schakelaars en een motor als belasting. De omkering van de draairichting bevestigt dat ook de stroomrichting is omgekeerd. Super goed!

Maar ik wil daar niet zitten en handmatig op de knoppen drukken. Ik wil dat een microcontroller het werk voor mij doet. Om dit circuit praktisch te bouwen, kunnen we MOSFET's als schakelaars gebruiken.

Stap 3: Kleine H-bruggen

Elk segment vereist 4 MOSFET's. Zoals je je waarschijnlijk kunt voorstellen, zal het besturingscircuit behoorlijk groot worden voor 7 segmenten, samen met enkele andere complementaire componenten om de poort van elke MOSFET aan te drijven, wat uiteindelijk mijn doel om het scherm kleiner te maken teniet doet.

Ik zou de SMD-componenten kunnen gebruiken, maar het zou nog steeds groot en ingewikkeld zijn. Het zou veel gemakkelijker zijn geweest als er een speciale IC was. Zeg hallo tegen PAM8016, een IC met alle eerder genoemde componenten in een klein pakket van 1,5 x 1,5 mm!

Door het functionele blokdiagram in de datasheet te bekijken, kunnen we de H-brug, gate-drivers samen met kortsluitbeveiliging en thermische uitschakeling zien. De richting van de stroom door de spoel kan worden geregeld door slechts twee ingangen aan de chip te leveren. Lief hoor!

Maar er is één probleem. Het solderen van een chip die zo klein is, zal een nachtmerrie zijn voor iemand wiens enige ervaring met reflow-solderen een paar LED's en weerstanden is. Ook dat met een strijkijzer! Maar ik besloot het toch een kans te geven.

Als alternatief vond ik DRV8837, die hetzelfde doet, maar een beetje groter is. Terwijl ik bleef zoeken naar gemakkelijker te solderen alternatieven op LCSC, kwam ik FM116B tegen, wat weer hetzelfde is, maar met minder vermogen en in een SOT23-pakket dat zelfs met de hand kan worden gesoldeerd. Helaas ontdekte ik later dat ik het niet kon bestellen vanwege verzendproblemen.

Stap 4: Breakout-borden maken

Voordat ik de IC's in de uiteindelijke PCB implementeerde, wilde ik eerst testen of ik de segmenten naar wens kan aansturen. Zoals je kunt zien, zijn de IC's niet breadboard-vriendelijk en ook mijn soldeervaardigheden zijn niet zo goed om koperdraden er rechtstreeks op te solderen. Daarom heb ik besloten om een breakout board te maken, aangezien deze niet direct op de markt verkrijgbaar zijn. Een breakout-bord "breekt" de pinnen van het IC uit op een printplaat die zijn eigen pinnen heeft die perfect zijn verdeeld voor een soldeerloze breadboard, waardoor je gemakkelijk toegang hebt tot het IC.

Een blik op de datasheet helpt bij het beslissen welke pinnen moeten worden uitgebroken. Bijvoorbeeld in het geval van DRV8837:

• Het IC heeft twee pinnen voor de voeding, één voor belasting/motor (VM) en één voor logica (VCC). Omdat ik voor beide 5V zal gebruiken, zal ik de twee pinnen met elkaar verbinden.
• De volgende is de nSleep-pin. Het is een actieve lage pin, d.w.z. als u deze op GND aansluit, wordt de IC in de slaapstand gezet. Ik wil dat het IC altijd actief is en dus zal ik het permanent aansluiten op 5V.
• Ingangen hebben interne pull-down weerstanden. Die hoeven dus niet op het bord te staan.
• De datasheet zegt ook dat er een 0.1uF bypass-condensator op pinnen VM en VCC moet worden geplaatst.

Met de bovenstaande punten in gedachten ontwierp ik een breakout-bord voor de IC's in KiCad en stuurde de Gerber-bestanden naar JLCPCB voor fabricage van PCB's en stencils. Klik hier om de Gerber-bestanden te downloaden.

Stap 5: Een segment besturen

Nadat ik mijn PCB's en stencil van JLCPCB had ontvangen, heb ik het bord in elkaar gezet. Dit was de eerste keer dat ik een stencil gebruikte en kleine IC's soldeerde. Duimen! Ik gebruikte een strijkijzer als kookplaat om de soldeerpasta opnieuw te laten vloeien.

Maar hoeveel ik ook probeerde, er was altijd één soldeerbrug onder PAM8016. Gelukkig was DRV8837 bij de eerste poging een succes!

Vervolgens testen of ik het segment kan controleren. Volgens de datasheet van DRV8837 moet ik HOOG of LAAG opgeven voor pinnen IN1 en IN2. Wanneer IN1 = 1 & IN2 = 0, stroomt de stroom in één richting en wanneer IN1 = 0 & IN2 = 1, stroomt de stroom in tegenovergestelde richting. Het werkt!

De bovenstaande opstelling vereist twee ingangen van een microcontroller en 14 ingangen voor een volledige weergave. Aangezien de twee ingangen altijd van elkaar zijn aangevuld, dwz als IN1 HOOG is, dan is IN2 LAAG en vice versa, in plaats van twee afzonderlijke ingangen te geven, kunnen we direct een signaal (1 of 0) naar één ingang sturen terwijl de andere ingang wordt gegeven nadat ze door een NIET-poort zijn gegaan die deze omkeert. Op deze manier kunnen we het segment/de spoel met slechts één ingang bedienen, net als bij een normaal 7-segments display. En het werkte zoals verwacht!

Stap 6: Wat nu?

Dus dat was het voor nu! De volgende en laatste stap zou zijn om de 7 spoelen en de H-Bridge-drivers (DRV8837) samen op een enkele PCB te combineren. Dus blijf daarvoor op de hoogte! Laat me je mening en suggesties weten in de reacties hieronder.

Bedankt voor het vasthouden aan het einde. Ik hoop dat jullie allemaal van dit project houden en vandaag iets nieuws hebben geleerd. Abonneer je op mijn YouTube-kanaal voor meer van dergelijke projecten.