Cel diody i kondensatora w tym obwodzie silnika

Podłączam mały silnik prądu stałego do arduino za pomocą tranzystora NPN, korzystając z poniższych schematów, które znalazłem w Internecie:

Obwód działa i z powodzeniem mogę uruchomić silnik. Teraz staram się zrozumieć, dlaczego działa tak, jak działa. W szczególności chciałbym zrozumieć:

1. Dlaczego dioda i kondensator są podłączone równolegle do silnika? Jaką rolę tutaj pełnią?

2. Dlaczego między tranzystorem a cyfrowym stykiem PWM na arduino potrzebny jest rezystor? Czy bez niego można bezpiecznie prowadzić obwód?

Dioda ma zapewnić bezpieczną ścieżkę indukcyjnego odrzutu silnika. Jeśli spróbujesz nagle wyłączyć prąd w cewce, wytworzy ono napięcie niezbędne do utrzymania przepływu prądu w krótkim okresie. Innymi słowy, prąd przez cewkę nie może się natychmiast zmienić. Zawsze będzie jakieś skończone nachylenie.

Silnik jest częściowo cewką indukcyjną. Jeśli tranzystor szybko się wyłączy, wówczas prąd, który musi jeszcze przez chwilę przepływać przez cewkę, przepłynie przez diodę i nie spowoduje żadnych szkód. Bez diody napięcie na silniku byłoby tak duże, jak to konieczne, aby utrzymać przepływ prądu, co prawdopodobnie wymagałoby smażenia tranzystora.

Mały kondensator po przeciwnej stronie silnika zmniejszy prędkość możliwie szybkiego przejścia napięcia, co powoduje promieniowanie i mniej ograniczający dV / dt tranzystor jest poddawane. 100 nF jest w tym przypadku nadmierne i uniemożliwi skuteczne działanie przy wszystkich częstotliwościach o niskiej częstotliwości PWM. Użyłbym 100 pF lub więcej, być może do 1 nF.

Rezystor ma ograniczać prąd, który musi pochodzić z wyjścia cyfrowego, a podstawa tranzystora musi być obsługiwana. Tranzystor BE wygląda jak dioda obwodu zewnętrznego. Napięcie będzie zatem ograniczone do około 750 mV. Trzymanie wyjścia cyfrowego na 750 mV, gdy próbuje się doprowadzić do 5 V lub 3,3 V jest poza specyfikacją. Może to uszkodzić wyjście cyfrowe. Lub, jeśli wyjście cyfrowe może wytwarzać dużo prądu, może to uszkodzić tranzystor.

1 kΩ jest ponownie wątpliwą wartością. Nawet z wyjściem cyfrowym 5 V, które przepuści jedynie 4,3 mA przez bazę. Nie pokazujesz specyfikacji tranzystora, więc załóżmy, że ma minimalny gwarantowany zysk 50. Oznacza to, że możesz liczyć tylko na tranzystor obsługujący 4,3 mA x 50 = 215 mA prądu silnika. To brzmi cicho, szczególnie przy rozruchu, chyba że jest to bardzo mały silnik. Spojrzałbym na to, co wyjście cyfrowe może bezpiecznie źródło i dostosować R1, aby narysować większość tego.

Innym problemem jest to, że dioda 1N4004 jest tutaj nieodpowiednia, zwłaszcza, że ​​będziesz szybko włączał i wyłączał silnik, jak sugeruje „PWM”. Ta dioda jest prostownikiem przeznaczonym do normalnych częstotliwości linii elektroenergetycznych, takich jak 50–60 Hz. Ma bardzo powolne odzyskiwanie. Zamiast tego użyj diody Schottky'ego. Każda ogólna dioda Schottky'ego 1 A 30 V ma się dobrze i jest lepsza niż 1N4004.

Widzę, jak może wyglądać ten obwód, ale najwyraźniej nie został zaprojektowany przez kogoś, kto naprawdę wiedział, co robią. Ogólnie rzecz biorąc, jeśli zobaczysz arduino w obwodzie, który znajdziesz w sieci, szczególnie w prostym, załóż, że został opublikowany, ponieważ autor uważa to za wielkie osiągnięcie. Ci, którzy wiedzą, co robią i za chwilę narysują taki obwód, nie uważają za warte napisania strony internetowej. To pozostawia tych, którzy zajęli dwa tygodnie, aby silnik się obrócił bez wysadzenia tranzystora i nie są do końca pewni, co wszystko robi, aby napisać te strony internetowe.

Gdy uzwojenia silnika przewodzą prąd, wytwarzają pole magnetyczne. Do tego potrzeba energii, a energia jest magazynowana w polu magnetycznym. Jeśli prąd zostanie nagle odcięty, pole magnetyczne zapadnie się. To zmieniające się pole magnetyczne indukuje prąd w uzwojeniu, który jest znacznie wyższy niż zwykle i wytwarza wyższe napięcie na uzwojeniach. Jest bardzo krótki i może imponować.

Kluczem do indukowanego prądu jest zmienne pole. Ten sam efekt można zobaczyć w włączniku oświetlenia domowego. Jeśli masz przełączniki, które nie są rtęciowe („ciche przełączniki”), czasami możesz zobaczyć iskrę lub błysk światła po wyłączeniu światła. Jeśli zdarzy Ci się zerwać połączenie, gdy prąd przemienny zbliża się do zera, nic się nie dzieje. Jeśli przerwiesz się w pobliżu szczytu prądu, okablowanie do świateł ma wokół siebie maksymalne pole magnetyczne i zapadnie się z wystarczającym skokiem napięcia, aby wyskoczyć w łuk światła przełącznika.

Zauważ, że twoja dioda wskazuje stronę + obwodu. Zmieniające się pole wytwarza „tylne pole elektromagnetyczne” lub napięcie idące w niewłaściwy sposób. Energia wydostaje się z rury, w której się pojawiła. (Mam nadzieję, że mam rację. Sprawdzę i edytuję, jeśli mam ją do tyłu.) Dioda przewodzi, jeśli potencjał lub napięcie na uzwojeniu silnika jest większe niż około 0,6 V w „złym” kierunku. W przypadku DC jest to proste. W przypadku PWM jest to bardziej jak prąd przemienny, a niezawodny obwód o wysokiej jakości jest bardziej skomplikowany.

Jak powiedział @OlinLathrop, rezystor podstawowy może być nieco duży. Jako typowe przykłady 2N2222 i 2N3904 mają współczynnik beta lub wzrost prądu o około 30 przy DC, który rośnie z częstotliwością do 300-400. Jeśli masz dużo silnika, tranzystor nie dostarczy prądu ani się nie przepali. Możesz oszacować rozproszenie mocy w tranzystorze na poziomie około 1 W na Amp i znacznie wyższym, jeśli rzeczy nie zostaną odpowiednio ustawione. (Nie można ustawiać równolegle tranzystorów bipolarnych bez dodatkowej pracy. Gdy nagrzewają się, zmniejsza się opór i przepływa więcej prądu, a ten, który nagrzewa najszybszy prąd - zwykle do zniszczenia). Widać, że małe sterowniki silników sprzedawane dla Arduinos mają albo radiator, albo dużą część z metalową sekcją przeznaczoną do użycia z radiatorem.

Czapka wygładza obecne skoki. W miarę, jak stają się one szersze w czasie, maleją prąd szczytowy, a zatem napięcie wytwarzane przez prąd w obwodzie jest mniejsze. Jeśli twój silnik ma szczotki, otrzymujesz przepływ prądu włączania / wyłączania w tempie, w którym silnik się obraca. Znów wracamy do zmiany prądów i pól. Stąd pochodzi hałas o częstotliwości radiowej. Rozproszenie tych skoków prądu oznacza, że ​​szybkość zmiany prądu jest niższa, w wyniku czego RFI (zakłócenia częstotliwości radiowej) jest niższe. Założę się, że jeśli umieścisz radio AM w pobliżu swojego obwodu i dostroisz go do miejsca bez stacji radiowej, będziesz w stanie stwierdzić, kiedy silnik pracuje. Wypróbuj czapki o różnych rozmiarach i sprawdź, czy zauważysz różnicę.