Mạch cầu H sử dụng Mosfet – CHI TIẾT NHẤT

Bài viết hôm nay xin giới thiệu đến bạn đọc phương pháp điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ điện một chiều: mạch cầu H sử dụng Mosfet. Cùng nhau tìm hiểu chi tiết về sơ đồ mạch điều khiển, mạch động lực và nguyên lý hoạt động của mạch cầu H.

[button color=”orange” size=”medium” link=”http://bblink.com/OMJ7Roo” icon=”” target=”false”]Download 5 mạch điều khiển Motor DC Pdf và mô phỏng[/button]

>>> Xem thêm:

Động cơ 1 chiều là gì
Điều khiển tốc độ động cơ dc bằng arduino
Điều khiển tốc độ động cơ dc bằng mạch cầu H L298

1.   Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H sử dụng mosfet

Chức năng của mạch cầu H sử dụng Mosfet là dùng để đảo chiều và điều khiển tốc độ động cơ DC.

1.1   Nguyên lý đảo chiều động cơ

Động cơ DC đảo chiều quay khi thay đổi chiều dòng điện chạy vào động cơ. Do đó ta có thể đổi chiều cấp điện cho động cơ để làm thay đổi chiều quay.

Hình bên dưới là sơ đồ mạch cầu H đơn giản sử dụng 4 công tắc. Các công tắc có thể thay thế bằng relay hoặc các khóa bán dẫn công suất.

Sơ đồ cơ bản của mạch cầu H

+ Khi đóng đồng thời công tắc S1 và S4 thì dòng điện sẽ chạy từ nguồn VCC qua S1, động cơ, S4 và về MASS. Động cơ sẽ quay theo chiều thuận.

+ Khi đóng hai công tắc S3, S2 thì dòng điện đi theo chiều ngược lại từ S3 qua động cơ qua S2 và về MASS. Động cơ lúc này sẽ quay theo chiều ngược lại.

+ Cần lưu ý trình tự đóng mở các công tắc để tránh bị ngắn mạch.

Bảng trạng thái công tắc và động cơ

Trong đó:

                 0 là công tắc mở

                 1 là công tắc đóng

X có thể là trạng thái 0 hoặc 1.

1.2   Mạch cầu H sử dụng mosfet điều khiển tốc độ

Để điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ thì các công tắc trên được thái bằng các khóa bán dẫn như Transitor, Mosfet, IGBT.

>>>>Xem thêm:

Điều khiển tốc độ động cơ DC bằng PWM

Mạch cầu H sử dụng Mosfet

Trình tự đóng mở của khóa bán dẫn phải tuân thủ nguyên tắc như trên. Để hạn chế tổn hao trên Mosfet thì khi đóng, mở Mosfet phải đảm bảo biên độ xung kích giữa hai chân G,S của Mosfet từ 12-18V.

Ta thấy Mosfet Q1, Q3 cực D có điện áp luôn thay đổi, nên cần mạch ổn định điện áp (mạch Bootstrap) ở chân kích của Mosfet. Trong bài viết này sẽ dùng IC lái IR2103 để điều khiển đóng, mở các mosfet.

Sơ đồ mạch kích Mosfet dùng IC IR2103

Cần lưu ý khi ngỏ vào H_IN và L_IN của  IC IR2103. Khi ngỏ vào cùng mức cao thì ngỏ ra HO ở mức cao, ngỏ vào cùng mức thấp thì LO ở mức cao. Khi ngỏ vào khác mức điện áp thì áp ngỏ ra HO, LO sẽ ở mức thấp. Điều này giúp dễ dàng điều khiển cùng lúc 4 mosfet bằng hai IC IR2103 và tránh được trường hợp ngắn mạch.

Sơ đồ mức điện áp các chân ngỏ vào, ra của IC IR2103

Nguyên lý của mạch Bootstrap: Khi Mosfet Q2 dẫn thì tụ C_BOOT được nạp điện thông qua  diode D_BOOT. Khi Q2 tắt thì điện áp chân S của Q1 tăng lên, tụ C_BOOT lúc này đóng vai trò là nguồn cấp cho mạch bên điều khiển bên trong của IC IR2103. Điều này giúp điện áp hai chân G và S của Q1 ổn định để kích Mosfet Q1 dẫn bảo hòa.

Nguyên lý mạch bootstrap

Mô phỏng mạch điều khiển cầu H trên proteus sử dụng IC IR2102. (IC IR2102 khác với IR2103 ở xung ngỏ ra HO và LO cùng mức điện áp).

Mạch cầu H sử dụng Mosfet được vẽ như hình bên dưới:

Sơ đồ mạch điện mạch cầu H sử dụng Mosfet

Ta thấy IC IR2103 sẽ điều khiển một cặp Mosfet trên dưới (ví dụ Q1 và Q2) của cầu H. Nếu sử dụng IC khác như IC IR2102, IR2112, … thì chỉ cần thay đổi cặp Mosfet điều khiển (Ví dụ IC IR2103 điều khiển Q1 và Q4). Điều này rất quan trọng vì tránh gây ngắn mạch ở mạch công suất.

Mạch điều khiển sử dụng nguồn 5V cách ly bằng opto quang PC817. Ta lưu ý cách mắc xung PWM vào opto U3 và U4 sẽ ngược nhau, khi đi qua opto ta sẽ được hai xung PWM ngược pha nhau. Mạch lái sử dụng nguồn 15V, mạch công suất sử dụng điện áp cao tùy thuộc vào điện áp mặc định của động cơ.

Cực G Mosfet nối với điện trở và diode, mạch này giúp tụ ký sinh bên trong Mosfet xả điện nhanh. Làm cho thời gian tắt ở Mosfet nhanh hơn.

Mạch cầu H sử dụng 4 Mosfet kênh N tốc độ phụ thuộc vào độ rộng xung điều khiển. Tốc độ động cơ đạt lớn nhất lúc độ rộng xung là 0 hoặc 100%, động cơ đảo chiều ở mốc độ rộng xung 50%. Để hiểu hơn về giá trị trung bình điện áp, dòng điện ta cùng nhau mô phỏng mạch trên phần mềm PSIM.

2.   Mô phỏng mạch trên phần mềm PSIM

2.1 Mạch 1: Xung điều khiển có độ rộng xung lớn hơn 50%

Xung điều khiển PWM có tần số 1Khz, độ rộng xung là 80%. Điện áp nguồn là 100V DC. Sơ đồ mô phỏng được vẽ như hình bên dưới.

Điện áp đo trên động cơ là xung điện tần số 1kHz, biên độ ±100V. Điện áp trung bình trên động cơ lúc bằng U_TB  = 100*0,8 – 0,2*100 = 60V. Dòng điện  động cơ đang tăng vì ở các chu kỳ đầu chưa ổn định.

Ta tăng thời gian mô phỏng lên 1s để xem đồ thị dòng điện khi ổn định. Với điện trở động cơ bằng 10, thì giá trị dòng điện trung bình I_TB = U_TB/R = 60/10 = 6A.

Dòng điện động cơ khi ổn định

2.2 Mạch 2: Xung điều khiển có độ rộng xung nhỏ hơn 50%

Xung điều khiển PWM có tần số 1Khz, độ rộng xung là 30%.

Mô phỏng xung kích có độ rộng xung 30%

Ứng với xung kích PWM 30% ta có điện áp trung bình trên động cơ là UTB = 0,3*100 -0,7*100 = -40V. Ta thấy dòng điện có giá trị âm, do đó động cơ có chiều quay ngược với trường hợp trên.

Điện áp và dòng điện ngỏ ra với xung PWM 30%

Dòng điện trung bình lúc này sẽ bằng I_TB = U_TB/R = -4A. Tăng thời gian mô phỏng lên 1s để quan sát dòng điện lúc xác lập.

Dòng điện động cơ khi ổn định

– Kết luận mạch cầu h sử dụng 4 mosfet kênh N:

+ Mạch kích Mosfet không phụ thuộc nguồn công suất, nghĩa là động cơ 24V hay 200V đều có thể chạy được.

+ Mạch điều khiển được đảm bảo cách ly tốt.

+ Mạch được test với tải R, dạng sóng ra vuông tốt.

+ Động cơ DC thay đổi tốc độ khi thay đổi độ rộng xung và đảo chiều quay khi độ rộng xung giảm nhỏ hơn 50%.

Mua Module cầu H chất lượng chỉ với 27.000 VND

+ Sử dụng IC chính là L298

+ Điều khiển cùng lúc được 2 động cơ dc

+ Điện áp từ 5 – 30VDC

+ Công suất 25W cho mỗi cầu H

+ Kích thước nhỏ gọn: 43x43x27mm

+ Không cần làm mạch thủ công

Xem giá bán cách mạch cầu H điện áp ra DC, AC

Tài Liệu Tham Khảo “Mạch cầu H sử dụng Mosfet”