Γέφυρες Η – Οδήγηση dc κινητήρων

Προκειμένου να οδηγήσουμε dc κινητήρες, όπως αυτοί που χρησιμοποιούνται στο hydrobot, απαιτείται ένα ειδικό κύκλωμα που ονομάζεται γέφυρα Η.
Δυστυχώς τα ολοκληρωμένα κυκλώματα που αποτελούν και τους ηλεκτρονικούς εγκεφάλουν των ρομπότ (μικροελεγκτές), δεν μπορούν να δώσουν πολύ ρεύμα στις εξόδους τους. Ωστόσο επειδή οι dc κινητήρες βασίζονται στη δημιουργία μαγνητικών πεδίων από ηλεκτρομαγνήτες, απαιτούν σημαντικά ποσά ηλεκτρικού ρεύματος για να λειτουργήσουν (μάλιστα όσο μεγαλύτερη ισχύ έχει ένας κινητήρας τόσο περισσότερο ρεύμα απαιτεί).
Αυτό το πρόβλημα έρχονται να λύσουν οι γέφυρες Η (και γενικότερα τα κυκλώματα οδήγησης). Είναι οι γέφυρες Η αυτές που μετατρέπουν τα «ασθενικά» σήματα τάσης, που λαμβάνουν από τον ηλεκτρονικό εγκέφαλο, σε ανάλογα «ισχυρά» σήματα ρεύματος ώστε να λειτουργήσουν οι κινητήρες. Πέρα από αυτό δεν κάνουν τίποτα άλλο. Ο ηλεκτρονικός εγκέφαλος είναι αυτός που ευθύνεται για τον τελικό τρόπο λειτουργίας των κινητήρων (θα περιστρέφονται δεξιόστροφα, αριστερόστροφα, με πλήρης στροφές ή κάποιο ποσοστό στροφών, τη χρονική διάρκεια περιστροφής κτλ). Φυσικά ο τρόπος λειτουργίας των κινητήρων καθορίζεται από το πρόγραμμα που εκτελείται στον ηλεκτρονικό εγκέφαλο.

Σχηματικό διάγραμμα
Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται το σχηματικό διάγραμμα μιας γέφυρας-Η για την οδήγηση ενός dc κινητήρα. Φυσικά στην περίπτωση του hydrobot θα χρειαστούν τρία ακριβώς ίδια κυκλώματα.

Τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα που απαιτούνται για να κατασκευαστεί μια γέφυρα Η είναι τα ακόλουθα:

• Δύο τρανζίστορ 2SB772
• Δύο τρανζίστορ 2SD882
• Δύο τρανζίστορ BC337
• Δύο αντιστάσεις 2,2ΚΩ (1/4 Watt)
• Δύο αντιστάσεις 1ΚΩ (1/4 Watt)
• 4 δίοδοι 1Ν4001 (προαιρετικές)

Η προηγούμενη λίστα εξαρτημάτων αφορά μια μόνο γέφυρα-Η. Για την οδήγηση των τριών κινητήρων του hydrobot, απαιτούνται συνολικά 3 γέφυρες-Η (άρα η προηγούμενη λίστα επί τρία).
Το κόστος των εξαρτημάτων είναι πολύ μικρό.
Φυσικά θα χρειαστεί και μια διάτρητη πλακέτα για να κολληθούν όλα τα εξαρτήματα.

Η λειτουργία της γέφυρας έχει ως εξής:

• Αν και οι δύο είσοδοι είναι στο λογικό μηδέν, ο κινητήρας είναι ακίνητος. Το ίδιο συμβαίνει και αν οι δύο είσοδοι της γέφυρας είναι ασύνδετες (στο αέρα)
• Αν η μία είσοδος είναι στο λογικό ένα και η άλλη στο λογικό μηδέν, ο κινητήρας περιστρέφεται δεξιόστροφα. Αν ισχύει το αντίθετο, κινητήρας περιστρέφεται αριστερόστροφα
• Προσοχή! Σε καμία περίπτωση δεν πρέπει και οι δύο είσοδοι της γέφυρας να βρίσκονται σε λογικό ένα, γιατί τότε θα έχουμε βραχυκύκλωμα. Αυτό μπορεί να αποφευχθεί είτε με ένα κύκλωμα προστασίας, είτε να προσέχουμε στο πρόγραμμα του μικροελεγκτή. Στο firmware του hydrobot έχει ληθφεί αυτή η περίπτωση υπόψη, με αποτέλεσμα να μην υπάρχει κίνδυνος βραχυκυκλώματος

Στις επόμενες φωτογραφίες βλέπετε το δοκιμαστικό κύκλωμα που κατασκευάσαμε εμείς, προκειμένου να ελέγξουμε το δικό μας hydrobot. Κόψαμε τη διάτρητη πλακέτα και προσέξαμε να την κάνουμε αρκετά μικρή, ώστε να χωράει στο ήδη υπάρχον κουτί του hydrobot sensor και να μην απαιτείται ένα δεύτερο.

Κάθε γέφυρα-Η έχει δύο εισόδους (το ελεύθερο άκρο των αντιστάσεων 2,2ΚΩ αντιστοίχως). Κάθε είσοδος συνδέεται απ” ευθείας στις εξόδους του μικροελεκτή του hydrobot sensor.
Για να λειτουργήσει σωστά το πρόγραμμα, θα πρέπει να συνδέσουμε τις τρεις γέφυρες όπως στον επόμενο πίνακα:

 

Σύνδεση της πλακέτας των γεφυρών-Η στο hydrobot sensor
Ο τρόπος σύνδεσης της πλακέτας των γεφυρών στην αντίστοιχη πλακέτα των αισθητήρων γίνεται με την τοποθέτησή της ως κάρτα επέκτασης (αντίστοιχα με τα shields του arduino), εμεταλλευόμενοι την «ειδική» διάτρητη περιοχή του hydrobot sensor (βλ. εικόνα)

Παρατηρήστε ότι οι οπές που είναι ακριβώς δίπλα από τις ενδείξεις Α3 έως D4 είναι απ” ευθείας συνδεδεμένες με τις αντίστοιχες θύρες του μικροελεγκτή (arduino).

Σε αυτές τις οπές θα πρέπει να κολλήσετε μια συστοιχία υποδοχών, σαν αυτές που χρησιμοποιήσατε για τη σύνδεση της SD κάρτας και του RTC.
Κόψτε την συστοιχία ώστε να έχει συνολικά 6 ακροδέκτες και κολλήστε την στην πλακέτα, όπως φαίνεται στις επόμενες εικόνες:

Η πλακέτα των γεφυρών-H θα πρέπει να κατασκευαστεί με τέτοιον τρόπο ώστε να συνδέεται απ” ευθείας πάνω στην προηγούμενη υποδοχή (όπως ακριβώς συνδέονται και οι άλλες πλακέτες). Επιπλέον θα πρέπει να φτιαχτεί αρκούντως μικρή ώστε να χωράει στο κουτί που τοποθετείται η πλακέτα hydrobot sensor.
Ευτυχώς η πλακέτα των γεφυρών-Η, αποτελλέιται από απλά εξαρτήματα και δεν είναι ιδιαίτερα δύσκολο να γίνει μικρή σε διαστάσεις.
Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται το μέγεθος της πλακέτας, όπως υλοποιήθηκε σε μια μικρή διάτρητη πλακέτα

Αντικατάσταση της αντίστασης των 8.2ΚΩ.
Επειδή η πλακέτα των αισθητήρων θα τροφοδοτείται απ” ευθείας από την 12V μπαταρία των κινητήρων, είναι απαραίτητο να αλλαχθεί μια αντίσταση των 8.2KΩ με μια των 16ΚΩ (καφέ-μπλε-μαύρο-κόκκινο). Διαφορετικά θα εμφανίζεται εσφαλμένο το επίπεδο τάσης με αποτέλεσμα το πρόγραμμα να βλέπει χαμηλό επίπεδο μπαταρίας και να μην λειτουργεί (ένδειξη LOW BATT).
Η αντίσταση που θα πρέπει να αλλαχθεί είναι αυτή που βρίσκεται δίπλα από τον διακόπτη on-off, όπως φαίνεται στην επόμενη εικόνα

Σύνδεση με τους κινητήρες του hydrobot
Το επόμενο βήμα είναι η σύνδεση τις πλακέτας των γεφυρών-Η με τους τρεις κινητήρες του hydrobot.
Εδώ θα πρέπει να σημειωθεί, ότι με τη χρήση της πλακέτας των γεφυρών-Η, ο έλεγχος των κινητήρων γίνεται από τον μικροελεγκτή της πλακέτας hydrobot sensor, είτε με αυτόνομο τρόπο, είτε λαμβάνοντας εντολές από την USB θύρα ενός H/Y (π.χ. laptop). Αυτό σημαίνει ότι το χειριστήριο (control box) που είχατε μέχρι τώρα δεν είναι απαραίτητο και θα πρέπει να αφαιρεθεί.
Επίσης δε χρειάζεται η 9V μπαταρία. Πλέον η τροφοδοσία ολόκληρου του κυκλώματος, γίνεται από την ίδια 12V που χρησιμοποιούσατε και για τους κινητήρες.

Θα πρέπει να κάνετε μια επιπλέον οπή στο κουτί που τοποθετείται η πλακέτα, από την αντίθετη πλευρά σε σχέση με τις οπές που έγιναν για τους αιοσθητήρες πίεσης και θερμοκρασίας. Η διάμετρος της καινούργιας οπής, θα πρέπει να είναι αρκετή ώστε να χωρούν συνολικά 11 καλώδια (σαν αυτά που περιέχει μέσα το μπλε UTP καλώδιο).
Στη συνέχεια θα κλείσετε την οπή με εποξική κόλλα, για μόνωση.

Κόψτε τα 3 ζεύγη καλωδίων των κινητήρων από το UTP καλώδιο. Αφήστε περιθώριο, ώστε να φτάνουν στο κουτί της πλακέτας. Περάστε τα καλώδια μέσα από την οπή του κουτιού και κολλήστε τα (ή συνδέστε τα) στις αντίστοιχες θέσεις της πλακέτας των γεφυρών-Η.
Το UTP καλώδιο έχει συνολικά 8 καλώδια (4 ζεύγη). Θα χρειαστούμε μόνο 3 καλώδια συν 2 για την τροφοδοσία ή εναλλακτικά 4 καλώδια (2 ζεύγη), αφού το ένα είναι η κοινή «γείωση».
Στην δική μας περίπτωση επιλέξαμε τη χρήση συνολικά 5 καλωδίων, γιατί μας «βόλεψε» στην προσθήκη των video baluns, για να περνάμε ταυτόχρονα live σήμα εικόνας, από το ίδιο UTP καλώδιο (αποφεύγοντας τη χρήση επιπλέον καλωδίου).

Τα τρία καλώδια για την επικοινωνία, συνδέονται στην υποδοχή PROG της πλακέτας hydrobot sensor, ακριβώς στο σημείο που συνδέεται το καλώδιο USB για τον προγραμματισμό. Στην άλλη άκρη αυτών των καλωδίων θα πρέπει να κολληθεί μια συστοιχία ακροδεκτών για τη σύνδεση με το USB καλώδιο, όπως στις επόμενες εικόνες:

Φυσικά θα πρέπει να θυμάστε τα χρώματα των καλωδίων που χρησιμοποιήσατε.

Τέλος θα πρέπει να τροποπήσετε το καλώδιο τροφοδοσίας της πλακέτας hydrobot sensor, αφού πλέον δεν θα τροφοδοτείται από την 9V μπαταρία, αλλά απ” ευθείας από την εξωτερική 12V μπαταρία, μέσω της πλακέτας των γεφυρών – Η.

 
Το συνολικό αποτέλεσμα:

Το κύκλωμα μιας γέφυρας-Η σε μια breadboard
Για την δική σας διευκόλυνση σχεδιάσαμε το κύκλωμα μιας γέφυρας-Η πάνω σε μια breadboard, ώστε να φανεί καλύτερα ο τρόπος διασύνδεσης των επιμέρους εξαρτημάτων. Η γέφυρα συνδέεται με το hydrobot sensor στα Α3, D4.

Στην εικόνα φαίνεται μόνο μία γέφυρα-Η για έναν κινητήρα. Ακριβώς με τον ίδιο τρόπο φτιάχνονται και οι άλλες δύο γέφυρες για τους δύο επιπλέον κινητήρες. Η διαφορά είναι μόνο στα σημεία σύνδεσης με την πλακέτα του hydrobot sensor (δηλαδή η μια θα συνδεθεί με τα Α1, D2 και η δεύτερη με τα Α2,D3)