Winzige H-Brücken-Treiber - Grundlagen: 6 Schritte (mit Bildern)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:15

Hallo und willkommen zurück zu einem anderen Instructable! Im vorherigen habe ich Ihnen gezeigt, wie ich mit einem Python-Skript Spulen in KiCad erstellt habe. Dann habe ich einige Variationen von Spulen erstellt und getestet, um zu sehen, welche am besten funktioniert. Mein Ziel ist es, die riesigen Elektromagnete in der mechanischen 7-Segment-Anzeige durch die Leiterplattenspulen zu ersetzen.

In diesem Instructable werde ich die Grundlagen einer H-Brücke abdecken und Ihnen zeigen, wie ich damit die Segmente steuern werde. Schließlich werde ich Ihnen einige der auf dem Markt erhältlichen H-Brücken in winzigen Paketen vorstellen.

Lass uns anfangen

Schritt 1: Der Plan

Im ursprünglichen Build hatte ich Vorkehrungen getroffen, dass die Spule, wenn sie erregt wird, dem Magneten mit dem Segment entgegenwirkt oder diesen drückt. Aber wenn die Spule stromlos ist, wird der Magnet vom Kern des Elektromagneten angezogen und das Segment kehrt somit in seine ursprüngliche Position zurück. Dies wird offensichtlich nicht funktionieren, da sich in der PCB-Spule kein Kern befindet. Ich hatte tatsächlich eine Spule mit einem Loch in der Mitte für den Kern, aber es hat nicht funktioniert.

Ohne den Kern bleibt das Segment in seiner neuen Position, auch wenn die Spule stromlos ist. Um das Segment wieder in seine ursprüngliche Position zu bringen, muss der Strom durch die Spule umgekehrt werden, was wiederum die Pole umdrehen und diesmal den Magneten anziehen würde.

Schritt 2: Grundlagen der H-Brücke

Die erforderliche Stromumkehrung wird durch eine Schaltung erreicht, die aus 4 Schaltern besteht, die in Form des Großbuchstabens H angeordnet sind und daher den Namen H-Bridge tragen. Dies wird am häufigsten verwendet, um die Drehrichtung eines Gleichstrommotors umzukehren.

Eine typische H-Brücken-Anordnung ist im 1. Bild dargestellt. Die Last / der Motor (oder in unserem Fall die Leiterplattenspule) wird wie abgebildet zwischen den beiden Beinen platziert.

Wenn die Schalter S1 und S4 geschlossen sind, fließt der Strom wie im 3. Bild zu sehen, und wenn die Schalter S2 und S3 geschlossen sind, fließt der Strom in die entgegengesetzte Richtung wie im 4. Bild zu sehen.

Es ist darauf zu achten, dass die Schalter S1 und S3 bzw. S2 und S4 niemals wie abgebildet geschlossen werden. Andernfalls wird die Stromversorgung kurzgeschlossen und die Schalter können beschädigt werden.

Ich habe genau diese Schaltung auf einem Steckbrett mit 4 Druckknöpfen als Schalter und einem Motor als Last gebaut. Die Drehrichtungsumkehr bestätigt, dass sich auch die Stromrichtung umgekehrt hat. Groß!

Aber ich möchte nicht da sitzen und manuell die Knöpfe drücken. Ich möchte, dass ein Mikrocontroller die Arbeit für mich erledigt. Um diese Schaltung praktisch aufzubauen, können wir MOSFETs als Schalter verwenden.

Schritt 3: Winzige H-Brücken

Jedes Segment benötigt 4 MOSFETs. Wie Sie sich wahrscheinlich vorstellen können, wird die Steuerschaltung für 7 Segmente zusammen mit einigen anderen komplementären Komponenten zum Ansteuern des Gates jedes MOSFET ziemlich groß, was letztendlich mein Ziel, das Display kleiner zu machen, zunichte macht.

Ich könnte die SMD-Komponenten verwenden, aber es wäre immer noch groß und kompliziert. Es wäre viel einfacher gewesen, wenn es einen dedizierten IC gegeben hätte. Begrüßen Sie PAM8016, einen IC mit allen zuvor genannten Komponenten in einem 1,5 x 1,5 mm winzigen Gehäuse!

Wenn wir uns das Funktionsblockdiagramm im Datenblatt ansehen, können wir die H-Brücke, die Gate-Treiber sowie den Kurzschlussschutz und die thermische Abschaltung sehen. Die Stromrichtung durch die Spule kann gesteuert werden, indem dem Chip nur zwei Eingänge zugeführt werden. Süss!

Aber es gibt ein Problem. Das Löten eines so winzigen Chips wird ein Albtraum für eine Person sein, deren einzige Erfahrung mit dem Reflow-Löten ein paar LEDs und Widerstände sind. Auch das mit einem Bügeleisen! Aber ich beschloss, es trotzdem zu versuchen.

Als Alternative habe ich DRV8837 gefunden, der das gleiche tut, aber etwas größer ist. Während ich weiter nach einfacher zu lötenden Alternativen auf LCSC suchte, stieß ich auf FM116B, das wieder dasselbe ist, aber mit weniger Leistung und in einem SOT23-Gehäuse, das sogar von Hand gelötet werden kann. Leider habe ich später festgestellt, dass ich es aufgrund von Versandproblemen nicht bestellen konnte.

Schritt 4: Breakout-Boards herstellen

Bevor ich die ICs in die endgültige Leiterplatte einbaue, wollte ich zunächst testen, ob ich die Segmente wie gewünscht ansteuern kann. Wie Sie sehen können, sind die ICs nicht Breadboard-freundlich und auch meine Lötfähigkeiten sind nicht so gut, um Kupferdrähte direkt daran zu löten. Aus diesem Grund habe ich mich für ein Breakout-Board entschieden, da es auf dem Markt nicht ohne weiteres erhältlich ist. Eine Breakout-Platine „bricht“die Pins des ICs auf eine Leiterplatte, die ihre eigenen Pins hat, die für ein lötfreies Steckbrett perfekt beabstandet sind, so dass Sie den IC leicht verwenden können.

Ein Blick auf das Datenblatt hilft bei der Entscheidung, welche Pins ausgebrochen werden sollen. Zum Beispiel im Fall von DRV8837:

• Der IC hat zwei Pins für die Stromversorgung, einen für Last/Motor (VM) und einen für Logik (VCC). Da ich für beide 5V verwende, werde ich die beiden Pins miteinander verbinden.
• Als nächstes ist der nSleep-Pin. Es ist ein aktiver Low-Pin, d. h. wenn Sie ihn an GND anschließen, wird der IC in den Schlafmodus versetzt. Ich möchte, dass der IC die ganze Zeit aktiv ist und werde ihn daher dauerhaft an 5V anschließen.
• Eingänge haben interne Pull-Down-Widerstände. Es ist also nicht erforderlich, diese auf dem Board bereitzustellen.
• Das Datenblatt sagt auch, einen 0,1uF Bypass-Kondensator auf die Pins VM und VCC zu legen.

Unter Berücksichtigung der oben genannten Punkte entwarf ich ein Breakout-Board für die ICs in KiCad und schickte die Gerber-Dateien an JLCPCB für die PCB- und Schablonenherstellung. Klicken Sie hier, um die Gerber-Dateien herunterzuladen.

Schritt 5: Steuern eines Segments

Sobald ich meine Leiterplatten und Schablone von JLCPCB erhalten habe, habe ich die Platine zusammengebaut. Dies war mein erstes Mal, dass ich eine Schablone benutzte und winzige ICs lötete. Daumen drücken! Ich habe ein Bügeleisen als Heizplatte verwendet, um die Lötpaste aufzuschmelzen.

Aber egal wie viel ich versucht habe, es war immer eine Lötbrücke unter PAM8016. Glücklicherweise war DRV8837 beim ersten Versuch ein Erfolg!

Als nächstes teste ich, ob ich das Segment steuern kann. Laut Datenblatt von DRV8837 muss ich den Pins IN1 und IN2 HIGH oder LOW bereitstellen. Bei IN1 = 1 & IN2 = 0 fließt Strom in eine Richtung und bei IN1 = 0 & IN2 = 1 fließt Strom in die entgegengesetzte Richtung. Es klappt!

Das obige Setup erfordert zwei Eingänge von einem Mikrocontroller und 14 Eingänge für eine vollständige Anzeige. Da die beiden Eingänge immer komplementär sind, dh wenn IN1 HIGH ist, dann ist IN2 LOW und umgekehrt, anstatt zwei separate Eingänge zu geben, könnten wir direkt ein Signal (1 oder 0) an einen Eingang senden, während der andere Eingang gegeben ist nachdem es durch ein NOT-Gatter geleitet wurde, das es invertiert. Auf diese Weise können wir das Segment/die Spule mit nur einem Eingang wie bei einer normalen 7-Segment-Anzeige steuern. Und es hat wie erwartet funktioniert!

Schritt 6: Was kommt als nächstes?

Das war's also erstmal! Der nächste und letzte Schritt wäre, die 7 Spulen und die H-Brückentreiber (DRV8837) auf einer einzigen Platine zu kombinieren. Also bleib dran! Teilen Sie mir Ihre Gedanken und Vorschläge in den Kommentaren unten mit.

Vielen Dank, dass Sie bis zum Ende durchgehalten haben. Ich hoffe, Sie alle lieben dieses Projekt und haben heute etwas Neues gelernt. Abonniere meinen YouTube-Kanal für mehr solcher Projekte.