Elektronik für Anfänger:

Motorsteuerung mit H-Bridge

Ob Grillmotor oder Selbstbau-Antennenrotor: Auf eine Motorsteuerung wird man kaum verzichten. Meist geht es darum, den Motor einzuschalten und wahlweise nach rechts oder links zu drehen. Mit der H-Bridge ist das ohne Relais möglich. Fügen wir dem Rezept etwas PWM hinzu, saust der Motor so schnell nach links oder rechts, wie wir wollen!

Die einfachste Art, einen Motor zu steuern, sind Relais. Das eine sorgt für die Drehrichtung des Gleichstrom-Motors, das andere schaltete die Motorspannung ein. Das funktioniert prima, hat jedoch einen entscheidenden Nachteil: Die Motorgeschwindigkeit ist immer konstant schnell bzw. langsam. Doch oft ist es vorteilhaft, auch die Drehgeschwindigkeit über einen Mikrocontroller nebst Software zu bestimmen.

Die H-Brücke (H-Brigde)

Schauen Sie sich den Schaltplan an, werden Sie sicher sagen: Viel Aufwand für ein bisschen Motor! Zuerst habe ich ähnlich argumentiert und mich schlau gemacht, welche Motorsteuerungen als IC angeboten werden. Schließlich sollte es eine sehr kompakte Steuerung sein - die ist es nicht wirklich geworden. Es stellte sich bald heraus, dass die meisten IC recht kostspielig sind aufwärts) oder (mit Ausnahmen) wenig Leistung zuließen. Schaut man in deren Inneres, findet sich neben einer Motorstrommessung meist ein wenig Logik und im Leistungsteil der IC oft nichts weiter als eine H-Brücke (H-Bridge). Damit war klar: Die H-Bridge wird selbst gebaut! Aber was ist eine H-Bridge?

Betrachten Sie die obige Abbildung, besteht die H-Bridge aus vier Schaltern und dem Motor in der Mitte. Das ganze Gebilde sieht aus wie ein "H", daher der Name H-Bridge. Legt man wie gezeigt eine Betriebsspannung an, geschieht erst einmal gar nichts, solange die Schalter geöffnet sind.

Die Abbildung oben bringt den Motor in Trab, hier sind zwei Schalter geschlossen und es fließt Strom (von 1 über den Motor über 4), der Motor dreht in eine Richtung, sagen wir nach rechts. Wie herum er wirklich dreht, zeigt die Abbildung nicht, denn das ist davon abhängig, wie der Motor angeschlossen ist.

Öffnen wir Schalter 1 und 4 wieder und schließen dafür die beiden anderen, polt sich die Spannung am Motor um und er wird nach links drehen.

Steuern wir falsch (Abb. oben), schließen z. B. zugleich Schalter 1 und 2, gibt es einen kräftigen Kurzschluss!

Drei und vier dürfen wir ebenfalls nicht gleichzeitig schließen, soviel ist klar. Das muss man unbedingt durch geeignete Maßnahmen verhindern. Ein möglicher Weg ist eine kleine Logik mit ein paar Gattern (74LS02) und zwei Treibertransistoren BC139. Statt der Schalter könnten wir uns für Relais entscheiden, aber das wäre fatal, denn Relais schalten nicht so schnell wie wir es benötigen. Warum benötigen wir schnelle Schalter? Denken Sie an die Geschwindigkeitsregelung! Doch eines nach dem anderen. Also: Vier Schalter werden durch Transistoren ersetzt. BC547 oder ähnliche Typen können wir nicht verwenden, diese Kleinleistungstransistoren verglühen, wenn wir einen 10 A Motor anschließen. 2N3055 und N2955 bieten sich auf Grund der guten Verfügbarkeit, geringer Kosten und der hohen Leistung an, besitzen jedoch das sperrige TO3-Gehäuse. Glücklicherweise gibt es die kompatiblen MJE3055 (NPN) und MJE2955 (PNP) im platzsparenden Gehäuse. Sie sind etwa so groß wie ein 7805-Spannungsregler und bieten bei guter Kühlung eine Leistung bis zu 150 Watt. Unserer Schaltung fügen wie vier Dioden hinzu, sie schützen die Transistoren in ausgeschaltetem Zustand vor Induktionsströmen des Motors. Damit ist der Schaltplan weitgehendst beschrieben und wir wenden uns der Steuerung des Motors zu.

Und die Geschwindigkeit?

Eine berechtigte Frage, schließlich enthält die Schaltung keinerlei Vorrichtungen für eine Geschwindigkeitsregulierung des Motors. Diese wird bei einem Gleichstrommotor in der Regel durch die Spannung geregelt. Eine geringe Motorspannung bewirkt eine langsame Drehzahl, steigert man die Spannung, läuft der Motor entsprechend schneller. Möchten wir die Geschwindigkeit über einen Mikrocontroller regeln, drängt sich zunächst die Lösung mittels Digital-Analogwandler auf. Für einen Mikrocontroller ist die Pulsweitenmodulation (PWM) die weniger aufwändige Methode, ein Verfahren, das in der Industrie grn genutzt wird.

Zur Steuerung eines Gleichstrommotors benötigen wir also eine variable Spannungsquelle. Nehmen wir einen 12-V-Motor und schalten die Spannung ein, läuft der Motor nicht sofort mit voller Leistung, sondern benötigt einige Zeit zum Anlauf. Schalten wir die Spannung ab, bevor der Motor die volle Drehzahl erreicht, wird der Motor langsamer laufen. Schalten wir die Spannung schnell genug ein und aus, stellt sich der Motor auf eine Drehzahl zwischen null und voller Geschwindigkeit ein. Genau das macht ein Mikrocontroller mit der Pulsweitenmodulation: Er schaltet den Motor über einen Strom von Impulsen ein. Zur Regelung des Motors variiert der Controller die Breite der Impulse, also Pulsweitenmodulation.

Betrachten Sie das obige Bild: Nehmen wir an, der Motor wird durch eine Spannung versorgt und diese mit einem Transistor geschaltet, wird Rechteckkurve C den Motor nur für kurze Zeit ein- und für die meiste Zeit ausschalten. Resultat: Der Motor wird nur langsam laufen. Die Kurve B lässt eine mittlere Drehzahl erwarten, da die Ein- und Ausschaltzeiten je 50% der Zeit betragen. Bei Kurve A ist der Motor die meiste Zeit eingeschaltet und nur für eine sehr kurze Zeit aus. Die Motordrehzahl wird kurz vor dem Maximum liegen. In der Praxis schaltet der Mikrocontroller mit 20 kHz (oder höher) ein bzw. aus, also zwanzigtausend Mal in der Sekunde. Das ist für den "armen" Motor viel zu schnell, um mit "Ein" und "Aus" darauf zu reagieren Es wird bewusst eine Frequenz gewählt, die über dem hörbaren Bereich des Menschen liegt, damit Motorgeräusche nicht hörbar sind. Würde der Motor etwa mit 12 kHz PWM angesteuert, würde sich dies akustisch als äußerst unangenehmes Pfeifen bemerkbar machen). Für die Transistoren sind 20 kHz eine Frequenz, die sie bequem schalten können. Der Mikrocontroller muss also lediglich eine TTL-Rechteckspannung erzeugen, deren Pulsweite variiert. Für derlei Audfgaben sind Controller dank integrierter Zeitgeber und Zähler gut gerüstet.

Lötarbeit

Der Aufbau auf der flockig bestückten Platine ist ohne Probleme auch für Lötanfänger geeignet. Zuerst bitte die Drahtbrücken mit 0,6 mm Silberdraht bestücken, dann Widerstände, Dioden und IC-Sockel einlöten. Es folgen Anschlussklemmen und Transistoren. Eine Drahtbrücke verlegen Sie in einem kleinen Bogen, damit sie nicht mit dem Anschlussdraht der Diode D3 in Kontakt gerät. Bevor das IC 74LS02 in den Sockel gedrückt wird, legen Sie die Spannungsversorgungen an und messen am Sockel und am Emitter von T3 und T4 die Spannungen. Ist das in Ordnung, setzt man das 74LS02 in die Fassung und legt den Eingang für das Rechts-Links-Signal auf Masse. Nach Anschluss eines kleinen Gleichstrommotors kann ein erster (Kleinleistungs-)Test erfolgen. Dazu schließt man an den PWM-Eingang einen Recheckgenerator mit TTL-Pegel an. Der Motor sollte nun drehen. Er ändert die Richtung, wenn Sie das Rechts-Links-Signal mit einem Pull-Up-Widerstand auf 5 V ziehen. Steht kein Rechtecksignal zur Verfügung, reicht für den ersten Test auch ein permanenter Low-Pegel, um den Motor in Gang zu setzen. Kleine Motoren mit wenigen mA Strombedarf kommen ohne montierten Kühlkörper betrieben werden, steuern Sie leistungshungrige Motoren an, etwa ein Scheibenwischer- oder Fensterhebermotors aus einem PKW, ist auf großzügige Kühlung der Transistoren (!!) zu achten. Hinweis: Montieren Sie die Transistoren isoliert (mit Glimmerscheibe und Kunststoffschrauben) auf den Kühlkorper.

Die Hardware der Motorsteuerung ist damit komplett. Wie die Platine mit der Außenwelt verbunden wird, illustriert die Abbildung oben. Der nächste Schritt besteht darin, einen Mikrocontroller zu programmieren, der das PWM-Signal erzeugt.

Materialliste:



Download von Dateien zu diesem Projekt

In der Datei hbridge1.zip sind die Original EAGLE-Dateien, das Layout im PDF-Format, Bestückungsplan, Schaltbild und weiteres enthalten. Eine Freeware-Version von EAGLE gibts bei www.CadSoft.de zum Download.

Und hier geht es zum Download.


Platinen und Bausätze

Für dieses Projekt biete ich einen Bauteileservice an.


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Copyright Michael Wöste