Drivers Tiny H-Bridge - Noções básicas: 6 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:34

Olá e bem vindo de volta a outro Instructable! No anterior, mostrei como criei bobinas no KiCad usando um script python. Então criei e testei algumas variações de bobinas para ver qual funciona melhor. Meu objetivo é substituir os enormes eletroímãs no Display Mecânico de 7 segmentos pelas bobinas de PCB.

Neste Instructable, irei cobrir o básico de uma ponte H e mostrar como irei usá-la para controlar os segmentos. Por fim, apresentarei a você algumas das pontes H em pacotes minúsculos disponíveis no mercado.

Vamos começar

Etapa 1: O Plano

Na construção original, fiz arranjos de forma que, quando a bobina é energizada, ela se opõe ou empurra o ímã junto com o segmento. Mas quando a bobina é desenergizada, o ímã é atraído para o núcleo do eletroímã e, assim, o segmento volta à sua posição original. Claramente, isso não vai funcionar, pois não há núcleo na bobina do PCB. Na verdade, eu tinha uma bobina com um furo no meio para o núcleo, mas não funcionou.

Sem o núcleo, o segmento permanecerá em sua nova posição, mesmo que a bobina seja desenergizada. Para trazer o segmento de volta à sua posição original, a corrente através da bobina deve ser invertida, o que por sua vez viraria os pólos e desta vez atrairia o ímã.

Etapa 2: Noções básicas de H-Bridge

A reversão da corrente necessária é conseguida usando um circuito que consiste em 4 interruptores dispostos na forma da letra H maiúscula e daí o nome H-Bridge. Isso é mais comumente usado para inverter o sentido de rotação de um motor DC.

Um arranjo típico de ponte H é mostrado na primeira foto. A carga / motor (ou bobina PCB em nosso caso) é colocada entre as duas pernas, conforme mostrado.

Se as chaves S1 e S4 estiverem fechadas, a corrente flui como visto na 3ª imagem, e quando as chaves S2 e S3 estão fechadas, a corrente flui na direção oposta, conforme visto na 4ª imagem.

Deve-se tomar cuidado para que os interruptores S1 e S3 ou S2 e S4 nunca sejam fechados conforme mostrado. Isso causará um curto na fonte de alimentação e pode danificar os interruptores.

Eu construí este circuito exato em uma placa de ensaio usando 4 botões como interruptores e um motor como carga. A inversão do sentido de rotação confirma que o sentido da corrente também foi invertido. Excelente!

Mas não quero sentar lá e apertar os botões manualmente. Eu quero um microcontrolador para fazer o trabalho para mim. Para praticamente construir este circuito, podemos usar MOSFETs como interruptores.

Etapa 3: Tiny H-Bridges

Cada segmento exigirá 4 MOSFETs. Como você provavelmente pode imaginar, o circuito de controle se tornará bastante grande para 7 segmentos junto com alguns outros componentes complementares para acionar o portão de cada MOSFET, o que eventualmente frustra meu objetivo de tornar a tela menor.

Eu poderia usar os componentes SMD, mas ainda seria grande e complicado. Teria sido muito mais fácil se houvesse um CI dedicado. Diga oi para PAM8016, um IC com todos os componentes mencionados anteriormente em um pacote minúsculo de 1,5 x 1,5 mm!

Dando uma olhada em seu diagrama de blocos funcional na folha de dados, podemos ver a ponte H, os drivers de porta junto com a proteção contra curto-circuito e desligamento térmico. A direção da corrente através da bobina pode ser controlada fornecendo apenas duas entradas para o chip. Doce!

Mas há um problema. Soldar um chip tão minúsculo será um pesadelo para uma pessoa cuja única experiência com a soldagem por refluxo são alguns LEDs e resistores. Isso também usando um ferro! Mas decidi tentar de qualquer maneira.

Como alternativa, encontrei o DRV8837, que faz a mesma coisa, mas é um pouco maior. Enquanto eu continuava a procurar alternativas mais fáceis de soldar no LCSC, me deparei com o FM116B, que é novamente a mesma coisa, mas com menos potência e em um pacote SOT23 que pode até ser soldado à mão. Infelizmente, mais tarde descobri que não consegui fazer o pedido devido a problemas de envio.

Etapa 4: Fazendo Breakout Boards

Antes de implementar os ICs no PCB final, primeiro queria testar se sou capaz de controlar os segmentos conforme desejado. Como você pode ver, os ICs não são amigáveis à placa de ensaio e também minhas habilidades de soldagem não são tão boas para soldar fios de cobre diretamente nele. É por isso que decidi fazer uma placa de breakout, uma vez que não estão prontamente disponíveis no mercado. Uma placa de breakout “quebra” os pinos do IC em uma placa de circuito impresso que possui seus próprios pinos que são espaçados perfeitamente para uma placa de ensaio sem solda, dando a você fácil acesso para usar o IC.

Uma olhada na folha de dados ajuda a decidir quais pinos devem ser quebrados. Por exemplo, no caso do DRV8837:

• O IC possui dois pinos para alimentação, um para carga / motor (VM) e outro para lógica (VCC). Como estarei usando 5V para ambos, conectarei os dois pinos.
• O próximo é o pino nSleep. É um pino baixo ativo, ou seja, conectá-lo ao GND colocará o IC no modo de hibernação. Quero que o IC fique ativo o tempo todo e por isso irei conectá-lo permanentemente a 5V.
• As entradas possuem resistores internos pull-down. Portanto, não há necessidade de fornecer os que estão no quadro.
• A folha de dados também diz para colocar um capacitor de desvio de 0,1uF nos pinos VM e VCC.

Mantendo os pontos acima em mente, projetei uma placa de breakout para os ICs no KiCad e enviei os arquivos Gerber para a JLCPCB para fabricação de PCB e Stencil. Clique aqui para baixar os arquivos do Gerber.

Etapa 5: controlando um segmento

Assim que recebi meus PCBs e o estêncil do JLCPCB, montei a placa. Esta foi a minha primeira vez usando um estêncil e soldando pequenos ICs. Dedos cruzados! Usei um ferro de pano como uma placa de aquecimento para refluir a pasta de solda.

Mas não importa o quanto eu tentei, sempre houve uma ponte de solda no PAM8016. Felizmente, o DRV8837 foi um sucesso na primeira tentativa!

A seguir é testar se sou capaz de controlar o segmento. De acordo com o datasheet do DRV8837, preciso fornecer HIGH ou LOW para os pinos IN1 e IN2. Quando IN1 = 1 e IN2 = 0, a corrente flui em uma direção e quando IN1 = 0 e IN2 = 1, a corrente flui na direção oposta. Funciona!

A configuração acima requer duas entradas de um microcontrolador e 14 entradas para uma exibição completa. Uma vez que as duas entradas são sempre complementadas uma da outra, ou seja, se IN1 for HIGH, então IN2 é LOW e vice-versa, em vez de fornecer duas entradas separadas, poderíamos enviar diretamente um sinal (1 ou 0) para uma entrada enquanto a outra entrada é fornecida depois de passar por uma porta NOT que o inverte. Desta forma, podemos controlar o segmento / bobina usando apenas uma entrada igual a um display normal de 7 segmentos. E funcionou como esperado!

Etapa 6: o que vem a seguir?

Então é isso por enquanto! A próxima e última etapa seria combinar as 7 bobinas e os drivers H-Bridge (DRV8837) em um único PCB. Portanto, fique atento para isso! Deixe-me saber sua opinião e sugestões nos comentários abaixo.

Obrigado por seguir até o fim. Espero que todos vocês amem este projeto e aprendam algo novo hoje. Inscreva-se no meu canal no YouTube para mais projetos desse tipo.