我正在使用我在网上找到的以下图表使用 NPN 晶体管将小型直流电机连接到 arduino:
电路工作,我成功地使电机运转。现在,我正在寻求了解为什么它会以这种方式工作。特别是,我想了解:
为什么二极管和电容器与电机并联连接?他们在这里扮演什么角色?
为什么在晶体管和 arduino 上的数字 PWM 引脚之间需要一个电阻器?没有它运行电路是否安全?
我正在使用我在网上找到的以下图表使用 NPN 晶体管将小型直流电机连接到 arduino:
电路工作,我成功地使电机运转。现在,我正在寻求了解为什么它会以这种方式工作。特别是,我想了解:
为什么二极管和电容器与电机并联连接?他们在这里扮演什么角色?
为什么在晶体管和 arduino 上的数字 PWM 引脚之间需要一个电阻器?没有它运行电路是否安全?
二极管是为电机的感应反冲提供安全通路。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来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间改变。总会有一些有限的斜率。
电机部分是电感器。如果晶体管快速关断,那么仍然必须流过电感器一段时间的电流将流过二极管,不会造成伤害。如果没有二极管,电机两端的电压会变得足够大以保持电流流动,这可能需要烧毁晶体管。
电机两端的小电容器将降低可能快速电压转换的速度,从而减少辐射并限制晶体管承受的 dV/dt。100 nF 对此是过高的,并且会阻止除低 PWM 频率以外的所有情况下的有效操作。我会使用 100 pF 左右,也许高达 1 nF。
电阻器用于限制数字输出必须提供的电流和晶体管基极必须处理的电流。晶体管 BE 看起来像外部电路的二极管。因此电压将被限制在 750 mV 左右。在尝试驱动至 5 V 或 3.3 V 时将数字输出保持在 750 mV 不符合规范。它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,那么它可能会损坏晶体管。
1 kΩ 又是一个值得怀疑的值。即使使用 5 V 数字输出,通过基极的电流也只有 4.3 mA 左右:BE 结(“二极管”)处的电压降为 0.7 V,而电阻器上的电压为 4.3 V。您没有显示晶体管的规格,因此我们假设它的最小保证增益为 50。这意味着您只能指望支持 4.3 mA x 50 = 215 mA 电机电流的晶体管。这听起来很低,尤其是在启动时,除非这是一个非常小的电机。我会看看数字输出可以安全地获取和调整 R1 以获取大部分内容。
另一个问题是 1N4004 二极管在这里不合适,特别是因为您将快速打开和关闭电机,正如“PWM”所暗示的那样。该二极管是一种电源整流器,适用于 50-60 Hz 等正常电源线频率。它的恢复非常缓慢。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,并且比 1N4004 更好。
我可以看到这个电路看起来是如何工作的,但它显然不是由真正知道他们在做什么的人设计的。一般来说,如果您在网上某个地方找到的电路中看到 Arduino,尤其是一个简单的电路,则假设它已发布,因为作者认为这是一项了不起的成就。那些知道自己在做什么并在一分钟内画出这样的电路的人认为不值得在上面写一个网页。这使得那些需要两周时间才能让电机旋转而晶体管不会爆炸的人,他们并不确定写这些网页的所有内容。
当电机的绕组通电时,它们会产生磁场。这样做需要能量,并且能量存储在磁场中。如果电流突然被切断,磁场就会崩溃。这种变化的磁场将在绕组中感应出比平时高得多的电流,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。如果您有非水银类型的开关(“静音开关”),有时您在关灯时会看到火花或闪光。如果您碰巧在交流电流接近零时断开连接,则不会发生任何事情。如果您在电流峰值附近断开,则灯的接线周围会产生最大的磁场,并且它会因足够的电压尖峰而崩溃,从而在灯开关中产生电弧。
请注意,您的二极管指向电路的 + 侧。不断变化的磁场会产生“反电动势”或错误方向的电压。能量从它进入的管道中流出。(希望我是对的。如果我把它倒过来,我会检查并编辑。)如果电机绕组上的电势或电压超过约 0.6,二极管将导通V 在“错误”的方向。对于 DC,这是直截了当的。对于 PWM,这更像是交流电,质量可靠的电路更复杂。
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 时具有大约 30 的 beta 或电流增益,随着频率上升到 300-400。如果你有很多电机,晶体管将不会提供电流或烧毁。您可以计算出晶体管的功耗约为每安培 1W,如果调整不正确,功耗会更高。(如果没有大量额外的工作,您不能将双极晶体管并联。当它们加热时,电阻会下降并且更多的电流流动,而加热最快的会消耗电流 - 通常会破坏)。您可以看到为 Arduinos 出售的小型电机驱动器要么有一个散热器,要么有一个带有金属部分的大部件,用于与散热器一起使用。
上限消除了电流尖峰。随着它们的时间变宽,它们的峰值电流会降低,因此电流在电路中产生的电压也会降低。如果您的电机有电刷,您将以电机转动的速度获得开/关电流。我们又回到了不断变化的潮流和变化的领域。这就是射频噪声的来源。分散这些电流尖峰意味着电流的变化率较低,因此 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到没有广播电台的位置,您将能够知道电机何时运行。尝试不同尺寸的瓶盖,看看是否发现任何差异。