Controladores Tiny H-Bridge - Conceptos básicos: 6 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

¡Hola y bienvenido de nuevo a otro Instructable! En el anterior, les mostré cómo creé bobinas en KiCad usando un script de Python. Luego creé y probé algunas variaciones de bobinas para ver cuál funciona mejor. Mi objetivo es reemplazar los enormes electroimanes en la pantalla mecánica de 7 segmentos con las bobinas de PCB.

En este Instructable, cubriré los conceptos básicos de un puente en H y le mostraré cómo lo usaré para controlar los segmentos. Finalmente, les presentaré algunos de los puentes en H en pequeños paquetes disponibles en el mercado.

¡Empecemos

Paso 1: el plan

En la construcción original, hice arreglos de tal manera que cuando la bobina se energiza, se opone o empuja el imán junto con el segmento. Pero cuando la bobina se desenergiza, el imán es atraído por el núcleo del electroimán y, por lo tanto, el segmento vuelve a su posición original. Claramente, esto no va a funcionar ya que no hay un núcleo en la bobina de la PCB. De hecho, tenía una bobina con un agujero en el medio para el núcleo, pero no funcionó.

Sin el núcleo, el segmento permanecerá en su nueva posición aunque la bobina esté desenergizada. Para devolver el segmento a su posición original, la corriente a través de la bobina debe invertirse, lo que a su vez volteará los polos y esta vez atraerá el imán.

Paso 2: Conceptos básicos de H-Bridge

La inversión de la corriente requerida se logra mediante un circuito que consta de 4 interruptores dispuestos en forma de letra H mayúscula y de ahí el nombre H-Bridge. Esto se usa más comúnmente para invertir la dirección de rotación de un motor de CC.

En la primera imagen se muestra una disposición típica de puente en H. La carga / motor (o bobina de PCB en nuestro caso) se coloca entre las dos patas como se muestra.

Si los interruptores S1 y S4 están cerrados, la corriente fluye como se ve en la tercera imagen, y cuando los interruptores S2 y S3 están cerrados, la corriente fluye en la dirección opuesta como se ve en la cuarta imagen.

Se debe tener cuidado de que los interruptores S1 y S3 o S2 y S4 nunca estén cerrados como se muestra. Hacerlo provocará un cortocircuito en la fuente de alimentación y podría dañar los interruptores.

Construí este circuito exacto en una placa de pruebas usando 4 botones como interruptores y un motor como carga. La inversión de la dirección de rotación confirma que la dirección de la corriente también se ha invertido. ¡Excelente!

Pero no quiero sentarme allí y presionar los botones manualmente. Quiero que un microcontrolador haga el trabajo por mí. Para construir prácticamente este circuito, podemos usar MOSFET como interruptores.

Paso 3: Pequeños puentes en H

Cada segmento requerirá 4 MOSFET. Como probablemente pueda imaginar, el circuito de control se volverá bastante grande para 7 segmentos junto con algunos otros componentes complementarios para impulsar la puerta de cada MOSFET, lo que finalmente frustra mi objetivo de hacer que la pantalla sea más pequeña.

Podría usar los componentes SMD, pero aún sería grande y complicado. Hubiera sido mucho más fácil si hubiera un CI dedicado. ¡Diga hola a PAM8016, un IC con todos los componentes mencionados anteriormente en un paquete diminuto de 1,5 x 1,5 mm!

Al observar su diagrama de bloques funcional en la hoja de datos, podemos ver el puente H, los controladores de la puerta junto con la protección contra cortocircuitos y el apagado térmico. La dirección de la corriente a través de la bobina se puede controlar proporcionando solo dos entradas al chip. ¡Dulce!

Pero hay un problema. Soldar un chip tan pequeño será una pesadilla para una persona cuya única experiencia con la soldadura por reflujo son algunos LED y resistencias. ¡Eso también usando una plancha! Pero decidí intentarlo de todos modos.

Como alternativa, encontré DRV8837, que hace lo mismo pero es un poco más grande. Mientras seguía buscando alternativas más fáciles de soldar en LCSC, me encontré con FM116B, que es nuevamente lo mismo pero con menos potencia de salida y en un paquete SOT23 que incluso se puede soldar a mano. Desafortunadamente, más tarde descubrí que no podía ordenarlo debido a problemas de envío.

Paso 4: creación de tableros de conexiones

Antes de implementar los circuitos integrados en el PCB final, primero quería probar si podía controlar los segmentos como lo deseaba. Como puede ver, los circuitos integrados no son compatibles con las placas de prueba y también mis habilidades de soldadura no son tan buenas para soldar cables de cobre directamente a ellos. Es por eso que decidí hacer una placa de ruptura, ya que no están disponibles en el mercado. Una placa de conexión "rompe" los pines del IC en una placa de circuito impreso que tiene sus propios pines que están perfectamente espaciados para una placa de prueba sin soldadura, lo que le brinda un fácil acceso para usar el IC.

Un vistazo a la hoja de datos ayuda a decidir qué pines deben separarse. Por ejemplo, en el caso de DRV8837:

• El IC tiene dos pines para la fuente de alimentación, uno para carga / motor (VM) y otro para lógica (VCC). Como usaré 5V para ambos, conectaré los dos pines juntos.
• El siguiente es el pin nSleep. Es un pin bajo activo, es decir, conectarlo a GND pondrá el IC en modo de suspensión. Quiero que el IC esté activo todo el tiempo y, por lo tanto, lo conectaré permanentemente a 5V.
• Las entradas tienen resistencias desplegables internas. Por lo tanto, no es necesario proporcionar los que están en el tablero.
• La hoja de datos también dice que se debe colocar un condensador de derivación de 0.1uF en los pines VM y VCC.

Teniendo en cuenta los puntos anteriores, diseñé una placa de conexión para los circuitos integrados en KiCad y envié los archivos Gerber a JLCPCB para la fabricación de PCB y plantillas. Haga clic aquí para descargar los archivos Gerber.

Paso 5: controlar un segmento

Una vez que recibí mis PCB y la plantilla de JLCPCB, armé la placa. Esta fue la primera vez que usé una plantilla y soldando circuitos integrados diminutos. ¡Dedos cruzados! Usé una plancha de tela como placa calefactora para refluir la pasta de soldadura.

Pero no importa cuánto intenté, siempre había un puente de soldadura debajo de PAM8016. Afortunadamente, DRV8837 fue un éxito en el primer intento.

Lo siguiente es probar si puedo controlar el segmento. De acuerdo con la hoja de datos de DRV8837, necesito proporcionar HIGH o LOW a los pines IN1 e IN2. Cuando IN1 = 1 & IN2 = 0, la corriente fluye en una dirección y cuando IN1 = 0 & IN2 = 1, la corriente fluye en la dirección opuesta. ¡Funciona!

La configuración anterior requiere dos entradas de un microcontrolador y 14 entradas para una pantalla completa. Dado que las dos entradas siempre se complementan entre sí, es decir, si IN1 es ALTO, entonces IN2 es BAJO y viceversa, en lugar de dar dos entradas separadas, podríamos enviar directamente una señal (1 o 0) a una entrada mientras se da la otra entrada. después de pasar por una puerta NOT que la invierte. De esta manera, podemos controlar el segmento / bobina usando solo una entrada igual que una pantalla normal de 7 segmentos. ¡Y funcionó como se esperaba!

Paso 6: ¿Qué sigue?

¡Eso es todo por ahora! El siguiente y último paso sería combinar las 7 bobinas y los controladores H-Bridge (DRV8837) juntos en una sola PCB. ¡Así que estad atentos a eso! Déjame saber tus pensamientos y sugerencias en los comentarios a continuación.

Gracias por perseverar hasta el final. Espero que a todos les guste este proyecto y que hayan aprendido algo nuevo hoy. Suscríbete a mi canal de YouTube para más proyectos de este tipo.