پک آموزش رباتیک سورنو
پک ساختمانسازی تورنو
پک آموزش الکترونیک الینو
پک آموزش رباتیک برنا
پک آموزش الکترونیک سورنو
مجموعه آموزش الکترونیک شماره 2
بسته ساخت آسانسور با بدنه
کیت ربات تک کاره مسیریاب
ماشینی که با آن جابه‌جا می‌شوید، ریش تراش و موزری که از آن استفاده می‌کنید، پنکه، کولر و . . .، مثال‌هایی از دستگاه‌هایی هستند که موتور الکتریکی دارند. این موتورها به اعضای جدایی‌ناپذیر زندگی ما تبدیل شده‌اند به طوری که بدون موتور الکتریکی نه تنها از استفاده از دستگاه‌هایی که نام بردیم، بلکه از برق هم محروم خواهیم بود. امروز می‌خواهیم در بلاگ بهنام رباتیک در مورد راه انداز موتورهای الکتریکی با شما صحبت کنیم و به معرفی آی‌سی L293D که یک راه انداز موتور پرطرفدار می‌باشد، بپردازیم؛ پس با ما همراه باشید.
کلیت کار مدار راه انداز موتور
راه انداز موتور را می‌شود یک تقویت کننده جریان کوچک فرض کرد. کلیت کار یک مدار راه انداز موتورهای الکتریکی به این گونه است که یک سیگنال با جریان بسیار کم را از میکروکنترلر آی‌سی L293D دریافت کرده و آن را با کمک یک تغذیه خارجی، تبدیل به یک سیگنال با جریان بالا می‌کند. از این سیگنال جریان بالا، برای راه‌اندازی انواع موتورها می‌توان استفاده کرد. در واقع می‌شود گفت که یک راه انداز موتور، حکم واسط بین یک مدار فرمان (مانند میکروکنترلر)، دستگاهی که می‌خواهیم آن را کنترل کنیم (مانند موتور) و یک منبع تغذیه (مانند باتری یا برق شهر) را دارد.
چرا موتور را مستقیماً به میکروکنترلر وصل نمی‌کنیم؟
حال این سوال پیش می‌آید که چرا موتور را مستقیماً به خودِ میکروکنترلر متصل نمی‌کنیم؟ اگرچه میکروکنترلر در جایگاه کنترل‌کننده اصلی سرعت و جهت چرخش موتور می‌باشد اما چون که ولتاژ و جریان خروجی‌های میکروکنترلرها بسیار محدود بوده و از آن طرف موتورها برای راه‌اندازی نیاز به جریان و ولتاژ بالاتری دارند، ناچاراً باید از یک مدار راه انداز موتور به عنوان واسط میکروکنترلر و موتور، برای تقویت ولتاژ و جریان استفاده کرد. دقت کنید که مدار راه انداز در اینجا تنها به عنوان یک واسط عمل می‌کند و به تنهایی نمی‌تواند سرعت و جهت چرخش موتور را کنترل کند.
اندازه یک مدار راه انداز موتور با جریان حداکثری خروجی آن نسبت مستقیم دارد. برای مثال، هر چه وسیله شما مانند موتور الکتریکی دارای توان بالاتری باشد، به همان نسبت مدار راه انداز بزرگتر خواهد بود. این بزرگی بیشتر به این علت است که جریان بالاتری برای اتصال ها و سیم های ضخیم‌تر نیاز خواهد بود بنابراین هر چقدر اتصالات ضخیم‌تر گردند، مدار راه انداز بزرگتر خواهد شد.
موارد استفاده از مدار راه انداز موتور
استپر موتورها و موتورهای DC
سوئیچینگ‌های رله‌ای و سلفی
صنایع موتوری
نمایشگرهای LED و LCD
وسایل صوتی و تصویری
دستگاه‌های جانبی کامپیوترها
صنعت رباتیک
درباره مدارهای مجتمع راه انداز (Motor Driver IC)
در مقیاس‌های کوچک و در بحث الکترونیک و یا ربات‌های کوچک، از مدارهای مجتمع راه‌انداز (Motor Driver IC) استفاده می‌شود. به طور مثال، در یک ربات آموزشی، این مدارهای مجتمع با دستوراتی که از میکروکنترلر ها دریافت می کنند، موتورهای موجود در ربات‌ها را کنترل خواهند کرد.
انواع مدارهای مجتمع
مدارهای مجتمع بسیاری جهت راه‌اندازی موتورها استفاده می‌شوند که از جمله انواع آنها می‌توان به مدار مجتمع L293D، L297D، L298N، ULN2803 و ULN2003 اشاره کرد. این مدارهای مجتمع از نظر ساختار داخلی و همچنین از نظر ولتاژ و جریان نامی خروجی با یکدیگر متفاوت هستند اما در نهایت همه آنها سیگنال دریافتی از میکروکنترلر را به نحوی تقویت می‌کنند. پرکاربردترین مدار مجتمع که در بسیاری از پروژه‌های آردوینو از آن استفاده می‌شود، مدار مجتمع L293D می‌باشد. این مدار مجتمع می‌تواند همزمان دو موتور را راه‌اندازی کند. در ادامه به معرفی کامل آی‌سی L293D و آی‌سی ULN2803 خواهیم پرداخت.
1) آی‌سی L293D
آی‌سی L293D یک مدار راه انداز موتور 16 پایه می‌باشد که می‌تواند دو موتور DC را در جهت و سرعت متفاوت با یکدیگر، راه‌اندازی کند؛ این یعنی شما می‌توانید دو موتور DC را با یک مدار مجتمع L293D کنترل نمایید. این مدار مجتمع قادرست موتورهای کوچک تا متوسط را نیز به راحتی کنترل کند.
معرفی پایه‌های آی‌سی L293D
آی‌سی L293D دارای 16 پایه می‌باشد که به طوری کلی به دسته‌های زیر تقسیم می‌شوند:
4 عدد پایه زمین
4 عدد ورودی
4 عدد خروجی
2 عدد پایه فعال (Enable)
2 عدد پایه برای تغذیه ولتاژ
مشخصات پایه‌های آی‌سی L293D
مشخصات پایه | نام پایه | شماره پایه |
وقتی که این پایه HIGH باشد، قسمت چپ چیپ فعال می‌شود و بالعکس. بنابراین این پایه مانند فیوز اصلی چیپ عمل می‌کند | Enable 1-2 | 1 |
وقتی این پایه High باشد، جریان از پایه Output 1 خارج می‌شود | Input 1 | 2 |
این پایه به یکی از پایه‌های ورودی موتور A متصل می‌شود | Output 1 | 3 |
پایه‌هایی که باید به زمین متصل شوند | GND | 4 و 5 |
پایه‌هایی که باید به پایه دیگر موتور A وصل شوند | Output 2 | 6 |
وقتی این پایه High باشد، جریان از پایه Output 2 خارج می‌شود | Input 2 | 7 |
این پایه مربوط به تغذیه موتور می‌باشد بنابراین اگر موتور شما به ولتاژ 12 ولت نیاز داشت، باید این پایه را منبع تغذیه 12 ولت وصل کنیم | VCz | 8 |
این پایه جهت تغذیه خود از چیپ L293D استفاده می‌کند و باید به منبع 5 ولت وصل شود | VSS | 16 |
وقتی این پایه HIGH باشد، جریان از پایه Output 4 خارج می شود | Input 4 | 15 |
این پایه به یکی از پایه‌های ورودی موتور B متصل می‌شود | Output 4 | 14 |
پایه‌هایی که باید به زمین متصل شوند | GND | 12 و 13 |
پایه‌هایی که باید به پایه دیگر موتور B وصل شوند | Output 3 | 11 |
وقتی این پایه High باشد، جریان از پایه Output 3 خارج می‌شود | Input 3 | 10 |
وقتی که این پایه High باشد، قسمت راست چیپ فعال می‌شود و بالعکس بنابراین این پایه مانند فیوز اصلی چیپ عمل می‌کند | Enable 3-4 | 9 |
توضیحات پین‌های آی‌سی L293D
آی‌سی L293D دارای 4 ورودی در هر طرف است که هر سمت برای کنترل یک موتور استفاده می‌شود. پایه 2 تا 7 در سمت چپ و 10 تا 15 در طرف دیگر آن، ورودی‌های L293D می‌باشد. هر کدام از این پایه‌ها می‌تواند دو حالت صفر و یا یک منطقی داشته باشد. شما با تغییر این مقادیر می‌توانید سرعت و جهت چرخش یک موتور را کنترل کنید.
ولتاژ ورودی در آی‌سی L293D
دقت کنید که پایه VSS، مربوط به تغذیه 5 ولت خودِ مدار مجتمع بوده و پایه VC مربوط به تغذیه خارجی که طبق آن باید توان موتور را تامین کند، می‌باشد. توجه کنید که ولتاژ پایه VC باید متناسب با ولتاژ نامی موتور شما باشد. یعنی اگر موتور شما با ولتاژ 9 ولت کار می‌کند، باید پایه VC را به یک منبع تغذیه 9 ولت متصل کنید. حداکثر ولتاژی که شما می‌توانید به پایه VC متصل نمایید، برابر با 36 ولت می‌باشد. از نظر جریان نیز این مدار می‌تواند حداکثر مقدار 600 میلی‌آمپر را در هر طرف پشتیبانی کند.
ساختار داخلی آی‌سی L293D
این مدار راه انداز موتور از روش پل H برای تغذیه موتور استفاده می‌کند. پل H مداری است که به شما اجازه می‌دهد که جهت جریان را در خروجی مدار تغییر دهید. از آنجایی که جهت چرخش موتورها با تغییر جهت جریان ورودی موتور تغییر می‌کند، مدارهایی مانند آی‌سی L293D که از پل H برای راه‌اندازی موتور بهره می‌برند، گزینه بسیار مناسبی برای راه‌اندازی موتورهای DC می‌باشند.
در یک چیپ L293D، دو مدار پل H وجود دارد که به طور جداگانه می‌توانند جهت چرخش دو موتور را تغییر دهند. شکل زیر دیاگرام یکی از این پل‌های H را نمایش می‌دهد.
همانطور که در شکل مشاهده می‌کنید، در سمت چپ پل یک منبع تغذیه وجود دارد که جهت جریان آن نیز در مدار مشخص شده است. در سمت راست هم 4 کلید را می‌بینید که با خطوط قرمز مشخص شده‌اند.
حال اگر کلیدهای S1 و S4 بسته و کلیدهای S2 و S3 باز باشند، جریان از مسیر کلید S1 وارد موتور شده و از مسیر کلید S4 به مدار بازمی‌گردد؛ این یعنی جهت جریان موتور در شکل از سمت چپ به راست خواهد بود.
اگر عکس این حالت را فرض کنیم، یعنی کلیدهای S1 و S4 باز و کلیدهای S2 و S3 بسته باشند، جریان جاری شده در موتور در شکل بالا، از سمت راست به چپ خواهد بود.
پس می‌بینید که با استفاده از 4 کلید، می‌توانیم جهت جریان ورودی به موتور را تغییر دهیم. با تغییر جهت جریان موتور، جهت چرخش موتور نیز تغییر می‌کند.
این 4 عدد کلید به وسیله دو پایه Input 1 و Input 2 کنترل می‌شوند. در جدول زیر می‌توانید نحوه کنترل آنها را ببینید:
حالت موتور | Input 1 | Input 2 |
ایست | GND | GND |
به جهت A می‌چرخد | 5v | GND |
به جهت B می‌چرخد | GND | 5v |
ایست | 5v | 5v |
کنترل سرعت موتور در آی‌سی L293D
تا به اینجا شما با نحوه کنترل جهت چرخش موتور آشنا شده‌اید. حال چگونه سرعت موتور را کنترل کنیم؟
روش‌های مختلفی برای کنترل سرعت موتور وجود دارد. ابتدا بایستی بدانید که سرعت چرخش موتور با توان ورودی آن نسبت مستقیم دارد؛ یعنی هر چقدر ولتاژ ورودی بیشتر باشد، موتور با سرعت بیشتری خواهد چرخید. اگر شما از یک میکروکنترلر برای کنترل موتور استفاده می‌کنید، آنگاه می‌توانید به یکی از روش‌های ارتباطی سریال یا PWM، موتور را کنترل نمایید. همچنین، بعضی از چیپ‌های راه انداز موتور این امکان را به شما می‌دهند که بتوانید موتور خود را به صورت آنالوگ و با تغییر ولتاژ ورودی به آن (مانند پتانسیومتر)، کنترل کنید.
استفاده از روش PWM بسیار دقیق‌تر و پرکاربردتر از روش‌های دیگر است. برای اینکار کافیست که پایه Enable چیپ خود را به جای اینکه به منبع تغذیه 5 ولت متصل نمایید، به پایه خروجی میکروکنترلر وصل کنید. سپس با کنترل موج PWM در میکروکنترلر، می‌توانید توان ورودی موتور و در نتیجه سرعت آن را کنترل نمایید.
2. آی‌سی ULN2803
چیپ ULN2803 یک مدار راه انداز موتور است که برای تزریق جریان به بارهایی با جریان و ولتاژ بالا استفاده می‌شود. این بار می‌تواند یک موتور، لامپ، رله و یا هر مصرف‌کننده دیگری باشد. معمولاً این چیپ دارای ولتاژ نامی 50 ولت و جریان نامی 500 میلی‌آمپر می‌باشد. این چیپ نیز مانند چیپ مشابه خود یعنی آی‌سی L293D، سیگنال‌هایی با جریان کم را دریافت و آنها را تقویت کرده و به مصرف‌کننده ارسال می‌کند.
از این چیپ به طور کلی در استپر موتورها استفاده می‌شود زیرا امکان تغییر جهت جریان را در خروجی‌های خود ندارد بنابراین نمی‌توان از آن برای راه‌اندازی موتورهای DC استفاده کرد.
زوج دارلینگتون
هر زوج دارلینگتون از دو ترانزیستور برای تقویت جریان استفاده می‌کند که در مجموع مانند یک ترانزیستور عمل خواهند کرد. در این زوج، جریانی که توسط ترانزیستور تقویت شده، دوباره توسط ترانزیستور دوم تقویت می‌شود تا جریان خروجی نهایی، بسیار زیاد شود.
سخن پایانی
چیپ‌های راه انداز موتور، کاربردهای متنوعی دارند و در وسایلی مثل کوادکوپتر، ربات‌های حرکتی، ربات‌های دارای بازو و . . . استفاده می‌شوند. به نظر شما، این آی‌سی‌ها چه کاربردهای دیگری دارند؟ نظر خود را در انتهای همین مطلب کامنت کنید.
سؤالات متداول درباره راه انداز موتور
مدار راه انداز موتور یا درایور موتور را می‌توان یک تقویت‌کننده جریان کوچک فرض کرد که یک سیگنال با جریان کم از میکروکنترلر دریافت می‌کند و با کمک یک تغذیه خارجی سیگنال با جریان کم اولیه را به یک سیگنال با جریان بالا تبدیل می‌نماید که این جریان بالا را برای راه‌اندازی موتورها استفاده می‌کنند.
مدار مجتمع یا آی‌سی‌های زیادی جهت راه‌اندازی موتور استفاده می‌شوند که از جمله مهمترین آنها می‌توان به L293D، ULN2803، L298N، L297D و ULN2003 اشاره کرد. در این میان، مؤثرترین آنها آی‌سی L293D است.
آی‌سی L293D یک درایور موتور یا مدار راه انداز موتور 16 پایه می‌باشد که می‌تواند دو موتور DC را در جهت و سرعت متفاوت با یکدیگر، راه‌اندازی کند. به معنای ساده‌تر، شما می‌توانید دو موتور را با این آی‌سی کنترل کنید. این آی‌سی به راحتی توانایی کنترل موتورهای کوچک و متوسط را دارد.
چیپ ULN2803 یک مدار راه انداز موتور است که برای تزریق جریان به بارهای با جریان و ولتاژ بالا استفاده می‌شود. این وسایل می‌توانند لامپ، موتور، رله و یا هر مصرف‌کننده دیگری باشد. معمولاً این چیپ دارای ولتاژ نامی 50 ولت و جریان نامی 500 میلی‌آمپر است. نوع کار این چیپ با چیپ L293D یکی خواهد بود.
