MẠCH CẦU H (MẠCH CẦU H LÀ GÌ?)

MẠCH CẦU H

 Mạch cầu H là một mạch đơn giản dùng để điều khiển động cơ DC quay thuận hoặc quay nghịch. Trong thực tế, có nhiều kiểu mạch cầu H khác nhau tùy vào cách chúng ta lựa chọn linh kiện có dòng điện, áp điều khiển lớn hay nhỏ, tần số xung PWM… Và chúng sẽ quyết định đến khả năng điều khiển của cầu H. Trong bài này, mình sẽ giới thiệu chi tiết nguyên lý hoạt động của mạch cầu H và những linh kiện liên quan để bất cứ bạn nào mới tiếp xúc với điện tử đều có thể hiểu và làm được. Các bạn cố gắng đọc thật kỹ, đừng đọc lướt nhé!

 Bài viết nằm trong chuỗi 15 mạch cơ bản cho người mới bắt đầu. Nếu bạn là người mới bắt đầu bước vào điện tử hoặc đã học điện tử cơ bản nhưng kiến thức vẫn chưa vững, vậy thì hãy thực hành ngay 15 mạch cơ bản mà chúng tôi đã chọn lọc dưới đây. Sau khi làm 15 mạch này, bạn sẽ có một kiến thức nền tương đối chắc chắn.

 Mô hình mạch cầu H.

 Một động cơ DC có thể quay thuận hoặc quay nghịch tùy thuộc vào cách bạn mắc cực âm và dương cho motor đó. Ví dụ, động cơ DC có hai đầu A và B. Nếu bạn nối A vào cực dương (+) và B vào cực âm (-) của nguồn thì động cơ quay theo chiều thuận (giả sử cùng chiều kim đồng hồ). Bây giờ bạn nối ngược lại, A vào (-) và B vào (+), động cơ sẽ quay nghịch ( giả sử ngược chiều kim đồng hồ).

 Tương tự, khi ta đóng S1 và S4, ta đã cho A nối với cực dương (+) và B nối với cực âm (-) của nguồn, một dòng điện chạy từ nguồn qua S1 qua động cơ qua S4 về mass làm động cơ quay theo chiều thuận.

Ngược lại, khi ta đóng S2 và S3, động cơ quay nghịch.

 Như vậy, mạch cầu H dùng để đảo chiều quay động cơ .
 Lưu ý, bạn không bao giờ được phép đóng cùng lúc S1 và S2 hoặc S3 và S4 hoặc thậm chí là đóng cùng lúc 4 công tắc. Nếu bạn làm như vậy, bạn đã tạo ra một đường dẫn trực tiếp từ Vcc xuống GND và gây ra hiện tượng ngắn mạch. Acquy của bạn sẽ bị hỏng và nghiêm trọng hơn có thể cháy nổ mạch.

 Vậy nếu ta đóng cùng lúc S1 và S3 hoặc S2 và S4 thì chuyện gì sẽ xảy ra? Với trường hợp này, cả 2 đầu A, B của động cơ cùng nối với một mức điện áp, sẽ không có dòng điện nào chạy qua, mạch cầu H không hoạt động. Đây có thể coi là một cách “thắng” động cơ (nhưng không phải lúc nào cũng có tác dụng). Nói chung, chúng ta nên tránh trường hợp này xảy ra, nếu muốn mạch cầu không hoạt động thì nên mở tất cả các khóa thay vì dùng trường hợp này.

 Sau khi đã cơ bản nắm được nguyên lý hoạt động của mạch cầu H, phần tiếp theo chúng ta sẽ khảo sát cách thiết kế mạch này bằng các loại linh kiện cụ thể. Thành phần chính của mạch cầu H chính là các “khóa”, việc chọn linh kiện để làm các khóa này phụ thuộc vào mục đích sử dụng mạch cầu, loại đối tượng cần điều khiển, công suất tiêu thụ của đối tượng và cả hiểu biết, điều kiện của người thiết kế. Nhìn chung, các khóa của mạch cầu H thường được chế tạo bằng rờ le (relay), BJT (Bipolar Junction Transistor) hay MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor). Phần thiết kế mạch cầu H vì vậy sẽ tập trung vào 3 loại linh kiện này.

Thiết kế mạch cầu H.

 Nếu bạn chưa hiểu nguyên lý hoạt động của transistor, hãy đọc trước bài “Transistor hoạt động như thế nào”, đây là kiến thức nền căn bản để bạn hiểu được cách thiết kế mạch cầu H.

Lưu ý khi chọn transistor:

1. Dòng điện.
 Transistor phải chọn loại có dòng điện định mức lớn hơn dòng điện của tải. Nếu không, transistor sẽ bị cháy. Ví dụ, nếu động cơ hút dòng 1A, bạn cần phải chọn loại transistor có dòng điện định mức tối thiểu là 1A. Tốt nhất là lớn hơn 1A.

2. Thiết kế Transistor PNP ở phía trên (S1 và S3).
  Trong thực tế nếu ta thiết kế NPN phía ở trên (cực C nối trực tiếp với nguồn) và PNP ở phía dưới (cực C của PNP nối mass) thì mạch vẫn hoạt động  nhưng sẽ không hiệu quả, vì lúc này   khi transistor NPN hoạt động nếu chưa đảm bảo nó làm việc ở chế độ bão hoà thì sẽ gây ra sự ghim áp giữa cực C và cực E (Vce>0), đồng nghĩa điện áp tại cực E nhỏ hơn tại cực C (sụt áp so với nguồn), mà điện áp cấp cho động cơ xuất phát từ cực E của transistor NPN nên động cơ sẽ không tận dụng được tối đa điện áp từ nguồn. Nhưng nếu ta thiết kế PNP ở phía trên (cực E nối nguồn), NPN phía dưới ( cực E nối mass) thì chỉ cần điện áp tại chân B của PNP bằng 0V thì chắc chắn transistor PNP sẽ hoạt động tại chế độ bão hoà, điện áp tại cực C và cực E lúc này bằng điện áp nguồn, khi điện áp nguồn được cấp cho động cơ thông qua chân C của PNP thì động cơ sẽ tận dụng được điện áp của nguồn một cách tối đa nhất mà không có sự sụt áp nào.

3.  Điện áp rơi giữa cực C và cực E nhỏ.
  Mạch đầu tiên tôi sử dụng transistor TIP120 và TIP127, động cơ 2V, khi tôi cấp nguồn 5V vào mạch, động cơ không hoạt động.
 Lý do là transistor TIP 12x có điện áp rơi giữa cực C và E là 2V. Như vậy, khi tôi cấp 5V vào mạch, tôi đã bị mất hết 4V, động cơ chỉ còn 1V.
 Chúng ta không nên dùng transistor loại TIP, vì con TIP bị sụt áp rất lớn. Chúng ta nên sử dụng transistor BD135/ BD136 hoặc MOSFET.

4. Các diode bảo vệ ngược dòng.

 Chúng ta mắc các diode vào mạch là để khắc phục dòng điện ngược sinh ra  từ động cơ (vì động cơ có cuộn cảm), khi mạch cầu đang hoạt động và động cơ có dòng điện DC chạy qua đột ngột bị ngắt nguồn cấp điện, các transistor ngưng hoạt động, do động cơ có cuộn cảm nên động cơ sẽ phát ra năng lượng điện khá lớn (hiện tượng cảm ứng điện từ), vì dòng điện sinh ra bởi động cơ khá lớn và có nguy cơ lớn hơn dòng chịu đựng của transistor. Lúc đó transistor sẽ bị đánh thủng bởi dòng điện sinh ra bởi động cơ, nếu các mắc thêm hệ thống diode bảo vệ vào thì dòng điện sinh ra bởi động cơ sẽ phóng qua diode về nguồn, bảo vệ được mạch.

Dưới đây là mạch thực tế tôi đã thực hiện.

Hãy duy trì mỗi ngày một mạch nhé các bạn! Chúc các bạn thành công!

Nếu bạn đang tìm một đơn vị gia công mạch in chất lượng, hãy liên hệ ngay với Điện Tử Tương Lai để được hỗ trợ.