电机电路中二极管和电容器的用途


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我使用NPN晶体管将小型直流电动机连接到arduino上,使用的是我在网上找到的以下图表:

原理图 布线

电路工作正常,我能够成功使电动机运转。现在,我试图了解它为何以这种方式工作。我特别想了解:

  1. 为什么二极管和电容器与电动机并联?他们在这里扮演什么角色?

  2. 为什么在arduino的晶体管和数字PWM引脚之间需要一个电阻?没有它就可以安全运行电路吗?

Answers:


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二极管应为电动机的感应反冲提供安全的路径。如果您试图突然关闭电感器中的电流,它将产生任何必要的电压以保持电流在短期内流动。换句话说,通过电感器的电流永远不会瞬时改变。总会有一定的斜率。

电动机部分为电感器。如果晶体管迅速关断,那么仍然必须流过电感一会儿的电流将流过二极管,并且不会造成伤害。如果没有二极管,电动机两端的电压将达到保持电流流动所需的最大电压,这可能需要油炸晶体管。

电容器翻过电机将减少可能快速电压转变的速度,这将导致较少的辐射,并限制的dV / dt的晶体管进行。为此,100 nF会过高,并且会在除PWM频率较低之外的所有区域阻止有效运行。我会使用100 pF左右,也许会达到1 nF。

电阻器用于限制数字输出必须提供的电流以及晶体管基极必须处理的电流。晶体管BE看起来像是外部电路的二极管。因此,电压将被限制在750 mV左右。试图将其驱动到5 V或3.3 V时,将数字输出保持在750 mV是不合规格的。否则可能会损坏数字输出。或者,如果数字输出可以提供大量电流,则可能会损坏晶体管。

1kΩ还是一个值得怀疑的值。即使使用5 V数字输出,也只能通过底座放置4.3 mA左右的电流。您没有显示晶体管的规格,因此让我们看一下它的最小保证增益为50。这意味着您只能依靠支持4.3 mA x 50 = 215 mA电机电流的晶体管。这听起来很低,尤其是对于启动而言,除非这是非常小的电动机。我将看一下数字输出可以安全地获取和调整R1来吸收其中的大部分内容。

另一个问题是1N4004二极管在这里不合适,尤其是因为您将要快速打开和关闭电动机,如“ PWM”所暗示的那样。该二极管是功率整流器,用于正常的电源线频率(如50-60 Hz)。恢复速度非常慢。请改用肖特基二极管。任何通用的1 A 30 V肖特基二极管都可以工作,并且比1N4004更好。

我可以看到这条电路看起来如何工作,但显然不是由真正知道他们在做什么的人设计的。通常,如果您在网上的某个地方(尤其是一个简单的地方)上看到一个电路中的arduino,则认为它已发布,因为作者认为这是一个伟大的成就。那些知道自己在做什么并在一分钟内绘制出这样的电路的人认为,不应该在上面编写网页。这样一来,那些花了两周时间才能使电机旋转而又不会炸毁晶体管的人,他们还不确定如何编写这些网页。


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您对该电路的评论很有趣,因为我认识到杰里米·布鲁姆(Jeremy Blum)的“探索Arduino”的第4章中的电路。作者的简历说他有康奈尔大学的EE硕士,所以我可能没有想到这样的问题。您是否有关于直觉/判断力的建议,例如用于快速开关的二极管,适合应用的电容器尺寸太大或太大等?是否有可以提供帮助的书,或者主要是需要经验的书?或者也许只是阅读规格表。我很好奇。
拉布(Rab)2015年

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@Rab:我很惊讶我在RPI的EE硕士课程中所学到的设计很少。真正获得EE的方法至少要从12岁开始并进行修修补补。您要建立越来越大的项目,并且要花很多时间去弄清为什么事情不会一直进行下去。到上大学的时候,您已经有了一些直觉,可以作为所学所有理论知识的背景。然后,您将通过余生来继续学习。没有很多工作,您将永远不会擅长。查看原理图时,您必须看到电压不断升高和电流流动。
Olin Lathrop

谢谢!它使我感到震惊,因为它会从经验和背景中受益。我认为修补是很多有趣的部分,这很好。
Rab 2015年

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在Arduino Uno上,大多数PWM引脚的频率约为500 Hz。因此,最小的关断周期约为2 ms。而且即使对于相对较高的反向恢复时间(几微秒)也足够了,不是吗?我的意思是,反向恢复时间是几微秒,这是在1N400 *数据表,测量一般二极管描述中发现的最大恢复时间。
maxschlepzig

上一段+1,尽管如此,但让我咯咯笑。特别是Fritzing的“示意图”总是让我感到怀疑。
米斯特先生(MisterMystère),2015年

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当电动机的绕组承载电流时,它们会产生磁场。这样做需要能量,并且能量存储在磁场中。如果突然切断电流,磁场将崩溃。这种变化的磁场将在绕组中感应出比平常高得多的电流,并在绕组上产生更高的电压。它很短,可以给人留下深刻的印象。

感应电流的关键是变化的磁场。您可以在家用电灯开关中看到相同的效果。如果您使用的开关不是汞类开关(“静音开关”),则有时在关闭电灯时会看到火花或闪光。如果您在AC电流接近零时断开连接,则不会发生任何事情。如果您在电流的峰值附近断开,则到灯的布线周围会产生最大的磁场,并且会塌陷,并带有足够的电压尖峰以在灯开关中产生电弧。

请注意,您的二极管指向电路的+侧。变化的磁场会产生“反电动势”或错误的电压。能量从它进入的管道中流出。(希望我没错。我会检查并编辑是否向后。)如果电动机绕组上的电势或电压大于0.6,二极管将导通。 V沿“错误”方向。对于DC,这很简单。对于PWM,这更像是交流电,质量可靠的电路也更复杂。

正如@OlinLathrop所说,您的基极电阻可能有点大。作为典型示例,2N2222和2N3904在DC时具有约30的beta或电流增益,其频率随频率上升至300-400。如果您有很多电动机,则晶体管将不会提供电流或烧毁。您可以算出晶体管的功耗约为每安培1W,如果没有正确调整,功耗会更高。(如果没有很多额外的工作,就不能将双极晶体管并联。当它们加热时,电阻会降低,更多的电流会流过,而加热最快的晶体管会消耗电流-通常会破坏)。您会看到出售给Arduino的小型电动机驱动器要么有散热器,要么有很大一部分带有用于散热器的金属部分。

上限消除了电流尖峰。随着时间的变宽,峰值电流也会降低,因此电路中产生的电压会降低。如果您的电动机带有电刷,那么您将以电动机旋转的速度获得开/关电流。我们再次回到变化的电流和变化的领域。这就是射频噪声的来源。散布这些电流尖峰意味着电流变化率较低,结果RFI(射频干扰)较低。我敢打赌,如果您将AM收音机放在电路附近,并将其调谐到没有电台的位置,您将能够知道电动机何时运转。尝试使用不同的尺寸上限,看看是否发现任何差异。

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