Призначення діода і конденсатора в цьому моторному ланцюзі

Я підключаю невеликий двигун постійного струму до ардуїно, використовуючи транзистор NPN, використовуючи такі діаграми, які я знайшов в Інтернеті:

Схема працює, і я успішно в змозі змусити двигун працювати. Зараз я прагну зрозуміти, чому це працює так, як це робиться. Зокрема, я хотів би зрозуміти:

1. Чому діод і конденсатор підключені паралельно до двигуна? Яку роль вони виконують тут?

2. Для чого потрібен резистор між транзистором та цифровим ШІМ-штифтом на ардуїно? Чи було б безпечно запустити ланцюг без нього?

Діод повинен забезпечити безпечний шлях для індуктивного відкату двигуна. Якщо ви спробуєте раптово вимкнути струм в індукторі, це зробить необхідну напругу, щоб струм протікав у короткий термін. По-іншому, струм через індуктор ніколи не може змінитися миттєво. Завжди буде якийсь кінцевий нахил.

Мотор частково є індуктором. Якщо транзистор швидко відключається, то струм, який повинен ще протікати через індуктор на деякий час, буде протікати через діод і не завдавати шкоди. Без діода напруга на моторі набереться стільки, скільки потрібно, щоб тримати струм, що протікає, що, ймовірно, зажадає транзистора.

Невеликий конденсатор accross двигуна буде знижувати швидкість роботи , можливо , швидких переходів напруги, що призводить до менш випромінювання і обмежує Dv / дт транзистор піддається. 100 нФ є надмірним для цього, і перешкоджатиме ефективній роботі зовсім, окрім низьких частот ШІМ. Я б використовував 100 pF або близько того, можливо, до 1 nF.

Резистор повинен обмежувати струм, цифровий вихід повинен джерелом, а база транзистора повинна справлятися. Транзистор BE виглядає як діод до зовнішнього ланцюга. Тому напруга буде обмежено до 750 мВ або близько того. Тримаючи цифровий вихід на 750 мВ, коли він намагається підключити до 5 В або 3,3 В, немає спец. Це може пошкодити цифровий вихід. Або, якщо цифровий вихід може видавати багато струму, то це може пошкодити транзистор.

1 кОм - знову сумнівне значення. Навіть при 5-В-цифровому виході це дозволить поставити лише 4,3 мА або приблизно через базу. Ви не показуєте специфікації для транзистора, тому давайте визначимо, що він має мінімальний гарантований коефіцієнт посилення 50. Це означає, що ви можете розраховувати лише на транзистор, що підтримує струм двигуна 4,3 мА х 50 = 215 мА. Це звучить низько, особливо для запуску, якщо тільки це не дуже маленький мотор. Я хотів би подивитися на те, що цифровий вихід може безпечно джерелом і відрегулювати R1, щоб намалювати більшу частину цього.

Інше питання полягає в тому, що діод 1N4004 тут недоречний, тим більше, що ви будете швидко включати і вимикати двигун, як мається на увазі "ШІМ". Цей діод - це силовий випрямляч, призначений для нормальних частот електропередач, таких як 50-60 Гц. Це дуже повільне відновлення. Використовуйте замість цього діод Шоткі. Будь-який загальний діод Шоткі потужністю 30 В буде чудовим та кращим, ніж 1N4004.

Я бачу, як може здатися, що ця схема працює, але її явно не проектував хтось, хто справді знав, що вони роблять. Взагалі, якщо ви бачите ардуїно в ланцюзі, яке ви знайдете в мережі десь, особливо простому, припустіть, що він розміщений, тому що автор вважає це великим досягненням. Ті, хто знає, що вони роблять, і намалював подібну схему за хвилину, не вважають, що варто писати веб-сторінку. Це залишає тих, що зайняли два тижні, щоб двигун крутився без транзистора, і вони не дуже впевнені, що все робить для написання цих веб-сторінок.

Коли обмотки двигуна проводять струм, вони генерують магнітне поле. Для цього потрібна енергія, і енергія зберігається в магнітному полі. Якщо струм раптово відключиться, магнітне поле розвалиться. Це мінливе магнітне поле буде викликати струм в обмотці, який набагато вищий, ніж зазвичай, і виробити більш високу напругу в обмотках. Він дуже короткий і може бути досить вражаючим.

Запорукою індукованого струму є змінне поле. Ви можете побачити такий же ефект в домашньому вимикачі світла. Якщо у вас є вимикачі, які не мають ртутного типу ("безшумні перемикачі"), іноді ви можете побачити іскру або спалах світла, коли вимикаєте світло. Якщо трапляється розрив з'єднання, коли струм змінного струму проходить майже до нуля, нічого не відбувається. Якщо ви розірветесь біля піку струму, проводка до вогнів має максимальне магнітне поле навколо нього, і воно зруйнується при достатньому спаді напруги, щоб дуга була у вимикачі світла.

Зауважте, що ваш діод вказує на сторону + ланцюга. Змінюване поле виробляє "зворотний ЕРС" або напругу, що йде неправильним шляхом. Енергія виходить з труби, в яку вона потрапила. (Сподіваюсь, що я маю це право. Я перевірю і відредагую, чи є у мене назад.) Діод буде проводити, якщо потенціал або напруга в обмотці двигуна перевищує приблизно 0,6 V у «неправильному» напрямку. Для постійного струму це прямо вперед. Для ШІМ це більше схоже на змінного струму, а якість надійної схеми - складніше.

Як сказав @OlinLathrop, ваш базовий резистор може бути трохи більшим. Як типові приклади, 2N2222 і 2N3904 мають бета-коефіцієнт або коефіцієнт посилення струму приблизно 30 при постійному струмі, що піднімається з частотою до 300-400. Якщо у вас є великий двигун, транзистор не подасть струм і не згорить. Ви можете розраховувати розсіювання потужності в транзисторі близько 1 Вт на Ампер і набагато вище, якщо все не налаштовано правильно. (Не можна ставити біполярні транзистори паралельно без великої зайвої роботи. Оскільки вони нагріваються, опір знижується і більше струму тече і той, який нагріває найшвидший свинячий струм - як правило, до руйнування). Ви можете бачити, що маленькі водії двигунів, що продаються для Arduinos, мають або радіатор, або велику частину з металевою секцією, призначеною для використання з радіатором.

Кришка згладжує поточні шипи. Оскільки вони з часом ширші, вони зменшуються в піковому струмі, і тому напруга, яку струм виробляє в ланцюзі, менше. Якщо у вашого мотора є щітки, ви отримуєте струм включення / вимикання зі швидкістю обертання двигуна. Знову ми повертаємось до зміни струмів і мінливих полів. Звідси походить радіочастотний шум. Поширюючи ці поточні сплески, це означає, що швидкість зміни струму є нижчою, і в результаті RFI (радіочастотна інтерференція) нижче. Б'юсь об заклад, що якщо ви поставите радіо AM біля своєї схеми і налаштуєте його на місце без радіостанції, ви зможете сказати, коли працює мотор. Спробуйте різні розміри ковпачків і побачите, чи виявляєте ви різницю