SSMotor_View

Robotem sem, robotem tam

Od mobilních robotů (pokud tedy pomineme ty opravdu nejjednodušší konstrukce) zpravidla požadujeme, aby jezdily dopředu, dozadu a zatáčely. V případě, že používáme k rozpohybování robotu stejnosměrné elektromotorky, pak u nich smysl otáčení (reverzaci) snadno změníme přepólováním jejich vývodů.

Pro malé elektromotorky, které odebírají proud do 1 A, je k dispozici mnoho známých zapojení s polovodičovými reverzačními můstky. Těmito můstky se ale budeme zabývat v některém dalším článku, nyní se zaměříme na možnost reverzace elektromotorků s větším odebíraným proudem.

Reléový můstek:

Pro spínání elektrického proudu o intenzitě 3 a více ampér se už příliš nehodí běžné bipolární tranzistory a používají se polem řízené unipolární tranzistory typu MOSFET. A zde naráží většina začínajících konstruktérů na značná úskalí při jejich ovládání. Je tu ovšem ještě jedna alternativa – místo polovodičového prvku použít elektromechanické relé. Relé je ve své podstatě elektromagnet, který po přivedení elektrického proudu přitáhne kotvu a ta mechanicky spojí elektrické kontakty. Můžeme si ho tedy představit jako dálkově ovládaný spínač nebo přepínač. Pokud má relé jen dva kontakty, které se spojují, říkáme jim spínací (v anglické literatuře se tento kontakt označuje jako nomally open – NO). Pokud má relé ještě další kontakt, který je v klidové poloze sepnut, pak mu říkáme kontakt rozpínací (v angličtině nomally closed – NC), protože přivedením proudu do cívky se tento kontakt rozpojuje. Pohyblivému kontaktu, se kterým pohybuje kotva cívky relé se říká společný (v angličtině common – COM).  Základní zapojení relé jsou na obrázku 1. Jedna šikmá čára ve značce cívky relé značí, že cívka má jen jedno vinutí. Samozřejmě existují i jiné konstrukce relé, ale pro účely přepínání polarity elektromotorů není potřebné se jimi zabývat.

Takovýchto dvojic nebo trojic kontaktů, ovládaných jednou elektromagnetickou cívkou, může mít relé v jednom pouzdře několik, Pak taková relé nazýváme vícepólová.

Pro jednoduchou reverzaci směru otáčení elektromotorku můžeme použít v řadě případů dvojitý přepínač, zapojený podle obrázku 2. Ovšem, zapojíme-li do obvodu jen tento přepínač, setkáme se s nesnází – motor se sice bude podle polohy přepínače otáčet na jednu nebo druhou stranu, ale nepůjde zastavit. A proto také nepůjde pro reverzaci snadno použít ani jediné dvojpólové relé, zapojené stejně jako zmíněný přepínač.

Nesnáz ale obejdeme tím, že použijeme dvě relé jednopólová s přepínacím kontaktem, která jsou ostatně na trhu dostupnější. Pokud kontakty těchto relé zapojíme podle obrázku 3, budeme moci pomocí dvou elektrických signálů motor zapínat a vypínat a také měnit směr jeho otáčení. Jako bonus můžeme motor ještě elektricky brzdit. Takové zapojení obecně nazýváme H-můstek (anglicky H-bridge), protože, podíváme-li se na obrázek, vidíme, že připomíná velké písmeno H.

Jak je to tedy s tím ovládáním? Pokud je sepnuto relé 1 a rozpojeno relé 2, pak se motor otáčí jedním směrem. Pokud je sepnuto relé 2 a rozpojeno relé 1, pak se motor otáčí druhým směrem. Pokud jsou obě relé rozpojena, pak je motor oběma svými vývody připojen k zemnímu vodiči a je tedy zkratován. Pokud se nyní pokusíme zkratovaným motorem otáčet, zjistíme, že do jde dosti těžce a to tím více, čím se pokoušíme točit rychleji. Elektromotory, které se v robotech používají, fungují totiž také jako dynamo a při otáčení hřídelem generují elektrický proud. Tento proud se maří v odporu zkratovaných přívodních vodičů a způsobuje brzdný efekt. Podobným způsobem také brzdí tramvaje nebo elektrické lokomotivy. Stejně bude motor brzdit, pokud obě relé sepneme a tedy ho připojíme ke kladné napájecí větvi, ale v tomto případě budeme jen zbytečně navíc spotřebovávat elektrickou energii, potřebnou k vybuzení obou cívek relé.

Jen jsme vyřešili jednu potíž, hned tu máme druhou: cívka relé odebírá větší proud a většinou je dimenzována i na vyšší napětí, než jaké nám může poskytnout výstupní pin řídící logiky. Navíc, spínání indukční zátěže, kterou cívka relé bezesporu představuje, má svá úskalí, o těch však pojednává jiný článek v tomto sešitu. Spokojíme se proto s tím, že si ukážeme jedno z možných řešení, které je dostatečně jednoduché pro začátečníky a nevyžaduje ani velké finanční náklady.

Žijeme ve 21. století a tak máme na výběr dostatečné množství elektronických součástí, které nám mohou pomoci. Jednou z těchto součástí je i integrovaný obvod ULN2803, který v jednom pouzdře obsahuje osm tranzistorových spínačů a k nim připojených osm ochranných diod, které tranzistor i celé elektronické zapojení chrání před přepětím a rušením. Výhodou tohoto obvodu je, že již okolo něj nepotřebujeme žádné další elektronické součástky, takže jeho zapojení je velmi snadné i pro začátečníka, jak ostatně vidíme z obrázku 4.

Tím máme tedy vyřešeno zapínaní a vypínání proudu do cívku relé pomocí mikroprocesoru, nebo jiného elektronického obvodu a můžeme se věnovat vlastnímu zapojení reléového přepínače. Jak jsme si ukázali již na obrázku 2, nejjednodušeji to jde pomocí dvou relé pro jeden elektromotor.

Jde to ale také jinak. Můžeme použít dvojpólové relé s přepínacími kontakty pro změnu směru otáčení motoru a jedno jednopólové spínací relé pro zapínání a vypínání elektromotoru, jak je vidět z obr. 5.

Toto zapojení má některé výhody. Nejprve si ale musíme říci, že i relé mají omezenou proudovou zatižitelnost, i když většinou značně větší než polovodiče. Důležitým parametrem relé je velikost takzvaného rozpínacího proudu, což je hodnota proudu, který může přes kontakty relé protékat v okamžiku, kdy se kontakty rozpojují. V tom okamžiku dochází totiž ke vzniku elektrického oblouku a ke značnému jiskření mezi kontakty, které se tak opalují, natavují a ničí. Proud, který prochází kontakty v sepnutém stavu, může být značně vyšší, než proud rozpínací. Pokud tedy budeme dvojici relé z obrázku 5 řídit tak, že budeme přepínat směr otáčení elektromotoru pomocí relé RE1 jen v okamžiku, kdy je spínací relé RE 2 rozpojeno, pak můžeme jako přepínací relé (RE1) použít relé méně výkonné a tím menší a levnější. Relé na pozici RE2 s jedním spínacím kontaktem, která umožňují spínání opravdu velkých proudů (30 i více ampér) jsou snadno dostupná v prodejnách s elektrickými součástkami pod společným názvem automobilová relé. Jednou z výhod tohoto zapojení je také přehlednější ovládání. Jedním signálem – nazvěme ho SMĚR (nebo anglicky DIR) – spínáme relé pro změnu směru a druhým signálem – nazvěme ho START – spínáme relé, přerušující elektrický obvod. Pokud tedy ovládáme své robotické vozítko mikroprocesorem, můžeme vytvářet přehlednější program. Nevýhodou, jak můžeme vidět ze zapojení, je nemožnost elektrického brzdění, které jsme si vysvětlili výše.

Reléový můstek s pomocným tranzistorem:

Dosud uvedená zapojení s relé nám umožní měnit směr jízdy našeho robotu a zastavit ho a znovu rozjet. Pokud bychom však chtěli měnit i rychlost jeho jízdy, nemáme k tomu zatím žádnou možnost. Na začátku článku jsme si řekli, že polovodičové prvky nejsou (odborníci odpustí toto zjednodušení) vhodné ke spínaní větších proudů. Pokud se ale spokojíme s proudem, tekoucím přes elektromotor v našem robotu, který nepřesáhne 1 A, pak je možno použít zapojení z obrázku 6a .

Vidíme, že spínací relé je zde nahrazeno tranzistorem. My ale, abychom se nemuseli zabývat výpočtem hodnot elektrických součástek, které jsou pro činnost takového tranzistoru nezbytné, využijeme jedné velmi výhodné vlastnosti integrovaného obvodu ULN2803. Všech osm tranzistorů, které jsou v obvodu obsaženy, je vytvořeno na jediném křemíkovém čipu a a proto mají naprosto shodné vlastnosti. Tím je zajištěno, že všechny tranzistory můžeme bez nebezpečí poškození zapojit paralelně. Řekli jsme si, že v obvodu je osm tranzistorů. Jeden z nich použijeme ke spínání cívky relé, dalších sedm spojíme paralelně a zapojíme je na místo tranzistoru T z obrázku obrázku 6a. Výsledné zapojení je na obrázku 6b. Velkou výhodou takto zapojeného obvodu je, že nyní máme místo spínacího relé START, které je pomalé, zapojen tranzistor, který zapíná a vypíná proud v časech řádu mikrosekund. Protože je tak rychlý, můžeme nyní řídit rychlost otáčení motorku pomocí takzvané pulzně šířkové modulace (anglicky pulse width modulation – PWM). Tento způsob řízení rychlosti otáčení ponecháme v tomto článku prozatím bez dalšího vysvětlení, ale budeme se jím podrobně zabývat v článcích následujících.