Sterowanie siłownikiem elektrycznym z wykorzystaniem mostka H

Co to jest i jak działa – mostek H

W poprzednim artykule, który możesz przeczytać tutaj napisałem, że tzw. „mostek H” jest naszą ulubioną konstrukcją oraz obiecałem wyjaśnić dlaczego 🙂 W tym artykule groźbę spełniam 🙂 A więc zapraszam do lektury tych kilku słów tłumaczących co to w ogóle jest, jak działa, jak można to zbudować i do czego można tego użyć – przedstawiam ci: „Mostek H

Mostek H – jak jest zbudowany

Bardzo uproszczony schemat mostka H znajduje się na rysunku poniżej.

Jak widzisz, konstrukcja mostka jest banalnie prosta: to cztery łączniki ustawione po jednym w każdej gałęzi mostka. Wejście mostka jest przyłączone do źródła napięcia stałego (np. akumulator, zasilacz, bateria słoneczna, czy cokolwiek innego), a do wyjścia jest dołączone obciążenie – w tym przypadku silnik prądu stałego (np. siłownik elektryczny). W schemat wkomponowałem też wielką literę „H” abyś dostrzegł od razu, skąd wzięła się nazwa układu 🙂

Jednocześnie mogą być włączone tylko dwa styki leżące „po przekątnych” mostka (czyli K1 i K4 lub K2 i K3) albo styki znajdujące się w dwóch górnych lub dwóch dolnych gałęziach mostka (czyli K1 i K2 lub K3 i K4).

Nie wolno dopuścić do sytuacji, w której będą włączone na raz styki K1 i K3 lub K2 i K4, ponieważ spowoduje to zwarcie na linii zasilania i może uszkodzić zasilacz lub łączniki (albo jedno i drugie).

Mostek H – zasada działania

Mówiąc najprościej mostek H pełni rolę przełącznika umożliwiającego zamianę polaryzacji napięcia na jego wyjściu, czyli umożliwia np. sterowanie silnikiem prądu stałego „prawo/lewo”.

Przedstawię Ci teraz cztery sytuacje:

sterowanie siłownikiem elektrycznym mostek h

1. Zwarte (czyli włączone) łączniki K1 i K4. Łączniki K2 i K3 są rozwarte (wyłączone). Sytuację przedstawia rysunek poniżej.

 

Lewa końcówka silnika poprzez styk K1 dołączona jest do plusa zasilania, a prawa końcówka silnika poprzez styk K4 dołączona jest do minusa zasilania. Kierunek i drogę przepływu prądu od plusa do silnika pokazuje czerwona strzałka, a od silnika do minusa zasilania – strzałka niebieska. W takiej sytuacji silnik będzie wirować w jednym kierunku – przyjmijmy umownie, że będzie się kręcić w prawo (jak zaznaczono czarną strzałką na rysunku).

 

 

2. Zwarte łączniki K2 i K3. Łączniki K1 i K4 są rozwarte. Sytuacja widoczna jest na poniższym rysunku.

 

Tym razem jest odwrotnie: prawa końcówka silnika poprzez styk K2 dołączona jest do plusa zasilania, a lewa końcówka silnika poprzez styk K3 dołączona jest do minusa zasilania. Widzimy, że tym razem prąd przez silnik płynie w przeciwnym kierunku, jak ostatnio. W takiej sytuacji silnik także będzie wirować w odwrotnym kierunku – umownie w lewo zgodnie z czarną strzałką na rysunku.

 

 

3. Zwarte łączniki K1 i K2. Łączniki K3 i K4 są rozwarte.

 

W tej sytuacji nie dzieje się nic 🙂

Silnik nie będzie się kręcił w żadną ze stron, ponieważ obie końcówki zasilające silnik są dołączone do punktu o tym samym potencjale (plus napięcia zasilania) poprzez styki K1 i K2, więc napięcie na tych końcówkach wynosi zero.

 

 

4. Zwarte łączniki K3 i K4. Łączniki K1 i K2 są rozwarte.

 

Sytuacja bliźniacza do poprzedniej, czyli silnik nie pracuje.

Jedyna różnica jest taka, że obie końcówki zasilające silnik są podłączone do minusa zasilania. Dalej jednak jest to punkt o tym samym potencjale, a więc na silniku nie ma żadnego napięcia, które mogłoby wprawić go w ruch.

Przypomnę Ci jeszcze tylko, że w mostku H – np. takim jak na wszystkich rysunkach powyżej – nie wolno dopuścić, aby w jednej chwili włączone były łączniki K1 i K3 lub K2 i K4 albo wszystkie na raz. Taki stan powoduje zwarcie pomiędzy plusem i minusem zasilania. Może to uszkodzić zasilacz albo przełączniki (albo jedno i drugie). Wtedy silnik na pewno się nie zakręci w żadną ze stron 🙂

Mostek H – Sterowanie siłownikiem elektrycznym w praktyce

Praktyczną realizację mostka H można zrobić na wiele sposobów i przy użyciu różnego rodzaju przełączników – mechanicznych i elektronicznych (tranzystorów bipolarnych lub unipolarnych – najczęściej MOSFET).

Oczywiście można użyć czterech łączników ręcznych i zbudować układ kropka w kropkę taki jak na poprzednich rysunkach 🙂 Takie rozwiązanie ma jednak wady. Po pierwsze musisz pamiętać, żeby nie włączyć na raz niedozwolonych par łączników (czyli K1 i K3 oraz K2 i K4) i nie spowodować zwarcia pomiędzy punktami zasilania. Ponadto aby zmienić obroty silnika musisz przełączyć (!!! w odpowiedniej kolejności !!!) aż 4 przełączniki! To może być skomplikowane w obsłudze i na pewno przyznasz, że zbyt łatwo o pomyłkę 🙂

Dlatego pokażę ci poniżej 4 najłatwiejsze sposoby na realizację praktyczną takiego mostka, ale bez zbytniego komplikowania sobie życia 🙂 Tranzystory uni- oraz bipolarne zostawimy elektronikom, a zajmiemy się sposobami, które może zrealizować nawet osoba bez jakiegokolwiek doświadczenia w rzemiośle 🙂

1. Podwójny przełącznik dźwigienkowy

Zbuduj układ według rysunku obok.

sterowanie siłownikiem elektrycznym przełącznik kierunkusterowanie siłownikiem elektrycznym przełącznik kierunku schemat

Zasilanie jest przyłączone do styków „narożnych”, „na krzyż”.

Wyjściem są dwa środkowe styki, na których zmienia się polaryzacja napięcia. Przełącznik taki ma 3 pozycje: dwie skrajne podają napięcie na wyjście w konfiguracji „+/-” lub „-/+” w zależności od położenia „wajchy”. Środkowa pozycja „wajchy” to brak napięcia wyjściowego, zatem siłownik jest wtedy zatrzymany.

Przełącznik jest dostępny tutaj.

 

2. Podwójny przełącznik schodowy

Zbuduj układ według rysunku obok.

sterowanie siłownikiem elektrycznym przełącznik schodowy sterowanie siłownikiem elektrycznym przełącznik schodowy schemat

Przełącznik ma dwa klawisze. każdy z nich przyłącza jedno z wyjść (L1 lub L2) do plusa lub do minusa zasilania.

Umożliwia to zatem pracę silnika w obu kierunkach, ale także zatrzymanie go w dowolnym momencie – wystarczy oba klawisze ustawić tak, aby oba wyjścia L1 i L2 były przyłączone do tego samego bieguna zasilania.

Przełącznik jest dostępny tutaj.

 

3. Przekaźnik posiadający podwójne styki NC-COM-NO (czyli przekaźnik DPDT – dwuobwodowy ze stykiem przełączanym)

Schemat podłączenia układu widzisz na rysunku poniżej. Znajomy? Jeśli czytałeś artykuł o automatycznych drzwiach do kurnika, to na pewno tak 🙂

Wejście oznaczone jako „STEROWANIE” włącza lub wyłącza przekaźnik. Styki wyjściowe przekaźnika są tak połączone, że kiedy jest wyłączony (brak sygnału na wejściu „STEROWANIE”), to na jednym styku zasilającym silnika jest dodatni biegun zasilania, a na drugim – ujemny. Po włączeniu przekaźnika sygnałem na wejściu „STEROWANIE” zmienia się polaryzacja napięcia na silniku.

Taki układ ma taką właściwość, że nie odłącza napięcia od silnika. Zawsze na silnik podawane jest napięcie zasilania w jednej z dwóch polaryzacji (-/+ lub +/-). Gdyby chcieć takim układem sterować siłownik elektryczny, to powinien on mieć wbudowane krańcówki odcinające zasilanie od silnika aby mógł się sam wyłączyć gdy osiągnie skrajną pozycję.

Tej „wady” pozbawiony jest kolejny układ, który chcę Ci pokazać 🙂

4. Dwa osobne przekaźniki posiadający pojedyncze styki NC-COM-NO (czyli przekaźniki SPDT – jednoobwodowe ze stykiem przełączanym)

Przyjrzyj się poniższemu schematowi. Jeden przekaźnik z podwójnymi stykami zastąpiony jest dwoma osobnymi przekaźnikami z pojedynczym stykiem przełączanym.

Takie połączenie sprawia, że można niezależnie sterować przekaźnikami poprzez osobne wejścia „STEROWANIE_1” oraz „STEROWANIE_2”. Niezależne sterowanie dwoma przekaźnikami pozwala nie tylko odwracać polaryzację napięcia na silniku (włączony albo jeden, albo drugi przekaźnik), ale także umożliwia wyłączenie silnika poprzez podłączenie obu styków silnika do plusa lub do minusa zasilania (oba przekaźniki włączone lub oba wyłączone) – co jest równoznaczne z odłączeniem  zasilania od silnika.

Tak w omawianym przykładzie z dwoma osobnymi pojedynczymi przekaźnikami, jak i w poprzednim z jednym podwójnym przekaźnikiem, do wejść sterujących można podać sygnał z dowolnego źródła (np. wyjście jakiegoś cyfrowego układu sterującego, sterownik PLC, lub jeszcze coś innego). Podstawowy warunek jest taki, żeby napięcie wyjściowe źródła sterującego zgadzało się z napięciem zasilania cewki przekaźnika.

Układ z powyższego rysunku można zrealizować bardzo łatwo przy użyciu naszego dwukanałowego zdalnego sterowania radiowego.

Podsumowanie

Mam nadzieję, że rozjaśniłem Ci nieco budowę i zasadę działania mostka H. I okazało się pewnie, że „nie taki diabeł straszny, jak go malują” 🙂

Można oczywiście budować układy z tranzystorami uni- lub bipolarnymi, które oprócz samej tylko zamiany polaryzacji zasilania silnika będą mogły sterować też jego prędkością, ale to już bardziej skomplikowane twory. A obiecałem, że w tym artykule będzie prosto, więc muszę słowa dotrzymać 🙂

Jak widzisz, mostek H jest bardzo przydatnym ustrojstwem i wiele ułatwia w sterowaniu siłownikami elektrycznymi. To co najbardziej nam tu pasuje, to fakt, że umożliwia automatyzację sterowania takim siłownikiem (mam na myśli zwłaszcza ostatni układ z dwoma przekaźnikami).

Dlatego właśnie jest to nasza ulubiona konstrukcja! 🙂

Na koniec możesz też zobaczyć jak to wygląda w praktyce na naszym filmiku o prostym sterowaniu siłownikiem elektrycznym.