Zweck der Diode und des Kondensators in diesem Motorkreis

Die Diode soll einen sicheren Weg für den induktiven Rückschlag des Motors bieten. Wenn Sie versuchen, den Strom in einem Induktor plötzlich abzuschalten, wird er die Spannung erzeugen, die erforderlich ist, um den Strom kurzfristig fließen zu lassen. Anders ausgedrückt, der Strom durch eine Induktivität kann sich niemals augenblicklich ändern. Es wird immer eine endliche Steigung geben.

Der Motor ist teilweise ein Induktor. Wenn der Transistor schnell abschaltet, fließt der Strom, der noch eine Weile durch die Induktivität fließen muss, durch die Diode und verursacht keinen Schaden. Ohne die Diode würde die Spannung am Motor so groß wie nötig, um den Stromfluss aufrechtzuerhalten, was wahrscheinlich das Braten des Transistors erfordern würde.

Ein kleiner Kondensator über dem Motor reduziert die Geschwindigkeit der möglicherweise schnellen Spannungsübergänge, was weniger Strahlung verursacht und das dV/dt begrenzt, dem der Transistor ausgesetzt ist. 100 nF sind hierfür zu hoch und verhindern einen effizienten Betrieb bei allen außer niedrigen PWM-Frequenzen. Ich würde ungefähr 100 pF verwenden, vielleicht bis zu 1 nF.

Der Widerstand soll den Strom begrenzen, den der digitale Ausgang liefern muss und der die Transistorbasis handhaben muss. Der Transistor BE sieht nach außen wie eine Diode aus. Die Spannung wird daher auf etwa 750 mV begrenzt. Einen digitalen Ausgang auf 750 mV zu halten, wenn er versucht, auf 5 V oder 3,3 V zu treiben, ist außerhalb der Spezifikation. Der Digitalausgang könnte beschädigt werden. Oder wenn der digitale Ausgang viel Strom liefern kann, kann dies den Transistor beschädigen.

1 kΩ ist wiederum ein fragwürdiger Wert. Selbst bei einem 5-V-Digitalausgang werden nur etwa 4,3 mA durch die Basis geleitet: Der Spannungsabfall am BE-Übergang ("Diode") beträgt 0,7 V, wobei die 4,3 V am Widerstand verbleiben. Sie zeigen keine Spezifikationen für den Transistor, also nehmen wir an, er hat eine garantierte Mindestverstärkung von 50. Das bedeutet, dass Sie sich darauf verlassen können, dass der Transistor nur 4,3 mA x 50 = 215 mA Motorstrom unterstützt. Das klingt leise, besonders für den Start, es sei denn, es handelt sich um einen sehr kleinen Motor. Ich würde mir ansehen, was der digitale Ausgang sicher liefern kann, und R1 anpassen, um das meiste davon zu ziehen.

Ein weiteres Problem ist, dass die 1N4004-Diode hier ungeeignet ist, zumal Sie den Motor schnell ein- und ausschalten, wie von "PWM" impliziert. Diese Diode ist ein Netzgleichrichter, der für normale Netzfrequenzen wie 50-60 Hz vorgesehen ist. Es hat eine sehr langsame Erholung. Verwenden Sie stattdessen eine Schottky-Diode. Jede generische 1 A 30 V Schottky-Diode funktioniert gut und ist besser als eine 1N4004.

Ich kann sehen, wie diese Schaltung zu funktionieren scheint, aber sie wurde eindeutig nicht von jemandem entworfen, der wirklich wusste, was er tat. Wenn Sie ein Arduino in einer Schaltung sehen, die Sie irgendwo im Internet finden, insbesondere in einer einfachen, gehen Sie im Allgemeinen davon aus, dass es veröffentlicht wurde, weil der Autor es für eine großartige Leistung hält. Diejenigen, die wissen, was sie tun, und eine Schaltung wie diese in einer Minute zeichnen, halten es nicht für wert, eine Webseite darüber zu schreiben. Damit bleiben diejenigen übrig, die zwei Wochen gebraucht haben, um den Motor zum Laufen zu bringen, ohne dass der Transistor explodiert, und sie sind sich nicht wirklich sicher, was alles dazu beiträgt, diese Webseiten zu schreiben.

Wenn die Wicklungen des Motors Strom führen, erzeugen sie ein Magnetfeld. Dazu wird Energie benötigt, die im Magnetfeld gespeichert wird. Wenn der Strom plötzlich unterbrochen wird, bricht das Magnetfeld zusammen. Dieses sich ändernde Magnetfeld induziert einen Strom in der Wicklung, der viel höher als gewöhnlich ist, und erzeugt eine höhere Spannung an den Wicklungen. Es ist sehr kurz und kann ziemlich beeindruckend sein.

Der Schlüssel zum induzierten Strom ist das sich ändernde Feld. Sie können den gleichen Effekt bei einem Lichtschalter zu Hause sehen. Wenn Sie Schalter haben, die nicht vom Quecksilbertyp sind („leise Schalter“), können Sie manchmal einen Funken oder Lichtblitz sehen, wenn Sie das Licht ausschalten. Wenn Sie die Verbindung unterbrechen, wenn der Wechselstrom nahe Null geht, passiert nichts. Wenn Sie in der Nähe der Stromspitze brechen, hat die Verkabelung zu den Lichtern das maximale Magnetfeld um sie herum und sie bricht mit einer ausreichenden Spannungsspitze zusammen, um im Lichtschalter einen Lichtbogen zu bilden.

Beachten Sie, dass Ihre Diode auf die + Seite Ihres Stromkreises zeigt. Das sich ändernde Feld erzeugt eine "Gegen-EMK" oder Spannung, die in die falsche Richtung geht. Die Energie geht aus dem Rohr heraus, in das sie gekommen ist. (Ich hoffe, ich habe das Recht. Ich werde es überprüfen und bearbeiten, wenn ich es rückwärts habe.) Die Diode leitet, wenn das Potenzial oder die Spannung an der Motorwicklung mehr als etwa 0,6 beträgt V in die "falsche" Richtung. Für DC ist dies einfach. Für PWM ist dies eher wie Wechselstrom und eine qualitativ zuverlässige Schaltung ist komplizierter.

Wie @OlinLathrop sagte, ist Ihr Basiswiderstand möglicherweise etwas groß. Als typische Beispiele haben 2N2222 und 2N3904 eine Beta- oder Stromverstärkung von etwa 30 bei DC, die mit der Frequenz auf 300-400 ansteigt. Wenn Sie viel von einem Motor haben, liefert der Transistor den Strom nicht oder verbrennt. Sie können die Verlustleistung im Transistor mit etwa 1 W pro Ampere und viel höher berechnen, wenn die Dinge nicht richtig eingestellt sind. (Sie können Bipolartransistoren nicht ohne viel zusätzliche Arbeit parallel schalten. Wenn sie sich erwärmen, sinkt der Widerstand und es fließt mehr Strom, und derjenige, der sich am schnellsten erwärmt, nimmt den Strom auf - normalerweise bis zur Zerstörung). Sie können sehen, dass die kleinen Motortreiber, die für Arduinos verkauft werden, entweder einen Kühlkörper oder einen großen Teil mit einem Metallabschnitt haben, der mit einem Kühlkörper verwendet werden soll.

Die Kappe glättet die Stromspitzen. Wenn sie mit der Zeit breiter werden, werden sie weniger Spitzenstrom und daher ist die Spannung, die der Strom in der Schaltung erzeugt, geringer. Wenn Ihr Motor Bürsten hat, erhalten Sie den Ein / Aus-Stromfluss mit der Geschwindigkeit, mit der sich der Motor dreht. Wieder sind wir zurück bei wechselnden Strömungen und wechselnden Feldern. Hier kommt Hochfrequenzrauschen her. Das Verteilen dieser Stromspitzen bedeutet, dass die Änderungsrate des Stroms geringer ist und folglich die RFI (Radio Frequency Interference) geringer ist. Ich wette, wenn Sie ein AM-Radio in der Nähe Ihrer Rennstrecke aufstellen und es auf eine Stelle ohne Radiosender einstellen, können Sie feststellen, wann der Motor läuft. Probieren Sie verschiedene Kappengrößen aus und sehen Sie, ob Sie einen Unterschied feststellen.