ძრავების მართვა

ელექტროძრავების სამართავად მიკროკონტროლერის, თუ ნებისმიერი სხვა ციფრული მოწყობილობის გამოყენებისას, აუცილებელია ამ მოწყობილობის შეთანხმება ელექტროძრავასთან. პუბლიკაციაში „მიკროკონტროლერი. დღე 7. PWM” განხილულია მიკროკონტროლერის საშუალებით ელექტროძრავების მართვის ერთერთი ხერხი, ხოლო შემათანხმებელ ელემენტად გამოიყენება ელექტრული ველით მართვადი ტრანზისტორი BUZ20. იმ შემთხვევაში, თუ საჭიროა მიკროკონტროლერთან რამოდენიმე ძრავის ან სხვა, მეტნაკლებად მძლავრი მომხმარებლის მიერთება, მოსახერხებელია სპეციალურად ასეთი მიზნებისათვის შექმნილი ULN2803  მიკროსქემის გამოყენება. მისი სტრუქტურული სქემა ნაჩვენებია ნახაზზე, ხოლო პარამეტრები მოცემულია დატაშიტში, რომელიც შეგიძლიათ ჩამოტვირთოთ საიტის მარჯვენა მხარეს განთავსებული განყოფილებიდან სათაურით “Files”.

ULN2803 მიკროსქემის საშუალებით შესაძლებელია მიკროკონტროლერთან ერთდროულად 8 მომხმარებლის მიერთება თუ თვითოეული მათგანის მიერ მოხმარებული დენის ძალა არ  აღემატება 500 მილიამპერს. მომხმარებელი უნდა ჩაირთოს OUT 1-OUT 8 გამომყვანებსა და მომხმარებლის  კვების წყაროს დადებით პოლუსს შორის. მომხმარებლის კვების წყაროს ძაბვა არ უნდა აღემატებოდეს 50 ვოლტს. მიკროსქემის GND გამომყვანი უერთდება მიკროკონტროლერისა და მომხმარებლის კვების წყაროების უარყოფით პოლუსებს. თვით მიკროსქემას კვება არ სჭირდება, რადგან  იგი უბრალოდ ტრანზისტორების ნაკრებს წარმოადგენს. საზოგადოდ მიღებულია, რომ მიკროკონტროლერი და მართვაში მონაწილე სხვა ელემენტები ერთი კვების წყაროდან იკვებებიან, ხოლო შედარებით მძლავრი აღმასრულებელი ელემენტები (რელეები, ძრავები, ნათურები და სხვა) ცალკე კვების წყაროდან, თუმცა ეს  აუცილებელი არ არის.   “Common Free Wheeling Diodes” გამომყვანს განსაკუთრებული დანიშნულება აქვს და განსაკუთრებულ განმარტებებსაც მოითხოვს. საქმე იმაშია, რომ ზოგიერთი ტიპის მომხმარებლებს (რელეებს, ელექტროძრავებს) დიდი ინდუქტივობა გააჩნიათ. ინდუქციური კოჭა, ისევე როგორც კონდენსატორი, ენერგიის დამგროვებელს წარმოადგენს. თუ კოჭაში გადის დენი, რომელის დენის ძალაა I, მაშინ მასში დაგროვილი ენერგია განისაზღვრება ფორმულით

სადაც L კოჭის ინდუქტივობაა.  წრედში დენის შეწყვეტისას ეს ენერგია გამოთავისუფლდება (უკან, წრედში დაბრუნდება), რამაც შეიძლება წრედის ელემენტების მწყობრიდან გამოსვლა გამოიწვიოს.  თუ კოჭაში dt დროის ინტერვალში დენის ძალა dI სიდიდით იცვლება, მაშინ მასში წარმოიშვება თვითინდუქციის ელექტრომამოძრავებელი ძალა, რომელიც განისაზღვრება ფორმულით

L პროპორციულობის კოეფიციენტს თვითინდუქციის კოეფიციენტი, ანუ ინდუქტივობა ეწოდება.  თვითინდუქციის  ელექტრომამოძრავებელი ძალა ეწინააღმდეგება კოჭაში დენის ცვლილებას. კოჭის დენის წყაროსთან მიერთების მომენტში თვითინდუქციის ელექტრომამოძრავებელი ძალა კოჭის ბოლოებზე მოდებული ძაბვის ტოლია და მისი საწინააღმდეგო ნიშნის არის და ამრიგად, ეწინააღმდეგება მას. ამიტომ წრედში დენის ძალა არა მყისიერად, არამედ თანდათანობით მატულობს და მხოლოდ გარკვეული დროის შემდეგ აღწევს მაქსიმალურ მნიშვნელობას, ანუ  იმ მნიშვნელობას, რომელიც უნდა იყოს წრედის მოცემული წინაღობისა და კვების წყაროს ძაბვის მოცემული სიდიდის გათვალისწინებით. კვების წყაროს ამორთვისას კი პირიქით, თვითინდუქციის ელექტრომამოძრავებელი ძალა ეწინააღმდეგება წრედში დენის შეწყვეტას. ამ დროს  თვითინდუქციის ელექტრომამოძრავებელი ძალა ცდილობს წრედში დენი იმავე მიმართულებით გაატაროს, რა მიმართულებითაც გადიოდა კვების წყაროს გამორთვამდე. თუ ამ დროს კოჭის პარალელურად დიოდი აღმოჩნდება პირდაპირი მიმართულებით ჩართული, მაშინ დენი ამ დიოდში გაივლის. ეს გარემოება აგვაცილებს ჩამრთველზე (რომელიც სხვა არაფერია, თუ არა ტრანზისტორი), ძავის უკუღმა მიმართულებით მოდებას, რამაც შეიძლება მისი მწყობრიდან გამოსვლა გამოიწვიოს.

ამრიგად, ინდუქციური ხასიათის დატვირთვებისათვის წრედში დამცავი დიოდების არსებობა აუცილებელია. ULN2803 მიკროსქემის შემთხვევაში მისი ტრანზისტორების დასაცავად საკმარისია   “Common Free Wheeling Diodes” გამომყვანის მომხმარებლის კვების წყაროს დადებით პოლუსთან მიერთება. ამ დროს დამცავი დიოდები წრედში უკუმიმართულებით არიან ჩართულები, ამიტომ დენს არ ატრებენ და გავლენას არ ახდენენ მომხმარებლის მუშაობაზე. სამაგიეროდ, წრედის განრთვისას, სქემა საიმედოდ არის დაცული თვითინდუქციის ელექტრომამოძრავებელი ძალის გავლენით დაზიანებისაგან.
თუ მომხმარებლის მუშაობისთვის დიდი ძაბვა არის საჭირო, ან ის დიდ დენს მოიხმარს, ან საქმე გვაქვს ცვლადი დენის მოწყობილობასთან (მაგ., ოთახის ვენტილატორი, მაცივარი, უთო და სხვა), მაშინ მის სამართავად შეიძლება გამოვიყენოთ ელექტრომაგნიტური რელე.  ელექტრომაგნიტური რელეს ძირითად ელემენტს წარმოადგენს ელექტრომაგნიტი, რომლის საშუალებითაც ხორციელდება ელექტრული კონტაქტების მექანიკური მართვა. ნახატზე ნაჩვენებია რელე, რომელიც შეიცავს ელექტრული კონტაქტების გადამრთველ წყვილს. რელეს ელექტრომაგნიტის გრაგნილში დენის გატარებისას ელექტრომაგნიტი მიიზიდავს ბერკეტს, რომელიც შუა ელექტულ კონტაქტებს გადართავს მარცხნიდან მარჯვნივ ნახაზის მიხედვით. ამრიგად ხორციელდება ერთი წრედის განრთვა და მეორე წრედის ჩართვა. ერთ რელეს შეიძლება  რამოდენიმე ამგვარი კონტაქტების წყვილი  ჰქონდეს.

რელეს ელექტრომაგნიტის მართვა შესაძლებელია ტრანზისტორის, ან იგივე ULN2803 მიკროსქემის საშუალებით, ხოლო რელეს კონტაქტები კი თავის მხრივ, მართავენ მთავარ მომხმარებელს, რომელიც ამ შემთხვევაში შეიძლება ელექტრულად სრულიად იზოლირებული იყოს მართვის სქემისაგან. ელექტრომაგნიტის გრაგნილი, რა თქმა უნდა, ინდუქციურ დატვრთვას წარმოადგენს და უნდა დაიშუნტოს დამცველი დიოდით.
ელექტრომაგნიტური რელეს ნაირსახეობას წარმოადგენს მინის კაფსულაში ჰერმეტულად ჩარჩილული ფოლადის მოვერცხლილი კონტაქტების წყვილი, რომელიც მავთულის კოჭაში არის მოთავსებული. კოჭაში დენის გატარებისას ფოლადის კონტაქტები მაგნიტდებიან და ერთმანეთს მიიზიდავენ, რაც იწვევს წრედის შეკვრას. ასეთი კონტაქტების წყვილებს ჰერკონები ეწოდებათ. ჰერკონების  უპირატესობა მცირე ზომებთან ერთად, იმაშიც მდგომარეობს, რომ ჰერმეტულობის გამო, მათი გამოყენება ქიმიურად აგრესიულ და ადვილად აალებად გარემოშიც შეიძლება – გადართვისას წარმოშვებული ნაპერწკალი გარემოს აალებას არ გამოიწვევს. ჰერკონების საშუალებით შესაძლებელია, აგრეთვე, წრედის ჩართვა –  გამორთვა მათთან მუდმივი მაგნიტის მიახლოებით და დაშორებით.

ელექტრომაგნიტური რელეების საშუალებით შესაძლებელია არა მარტო ელექტროძრავების ჩართვა – გამორთვა, არამედ მათი ბრუნვის მიმართულების შეცვლაც. მუდმივი დენის ელექტროძრავების შემთხვევაში, ამისათვის საკმარისია რელეს გადამრთველი კონტაქტების იმგვარად მიერთება, რომ გადართვისას ისინი ელექტროძრავის კვების წყაროს პოლარობას ცვლიდნენ. რელეების სხვადასხვა კონსტრუქციები ნაჩვენებია სურათზე.

მცირე სიმძლავრის მუდმივი დენის ელექტროძრავების სამართავად სპეციალურად არის შექმნილი მიკროსქემა L293D, რომლის ფუნქციონალური სქემა ნაჩვენებია ნახაზზე (დატაშიტის ჩამოტვირთვა შესაძლებელია ჩვენი საიტიდან).

მიკროსქემა იძლევა ერთდროულად ორი ელექტროძრავის რევერსულად (ბრუნვის მიმართულების ცვლილებით) მართვის საშუალებას. ერთი მათგანი უერთდება მიკროსქემის OUT1, OUT2 გამომყვანებს, ხოლო მეორე OUT3, OUT4 გამომყვანებს. თუ ENABLE1 გამომყვანზე ლოგიკური „1“  გვაქვს და IN1 გამომყვანს ლოგიკურ „1“ მივაწოდებთ, ხოლო IN2 გამომყვანს ლოგიკურ „0“ -ს, მაშინ ელექტროძრავის OUT1 გამომყვანთან მიერთებული ბოლო ძრავის კვების წყაროს Vs დადებით პოლუსთან იქნება მიერთებული, ხოლო OUT2 გამომყვანთან მიერთებული ბოლო „მიწასთან“ და ძრავი ერთ მხარეს იტრიალებს. IN1 და IN2 გამომყვანების ლოგიკური დონეების საპირისპიროზე შეცვლა გამოწვევს იმას, რომ ამჯერად ელექტროძრავის OUT2 გამომყვანთან მიერთებული ბოლო აღმოჩნდება კვების წყაროს Vs დადებით პოლუსთან მიერთებული, ხოლო OUT1 გამომყვანთან მიერთებული ბოლო „მიწას“ მიურთდება და ძრავი უკუღმა მიმართულებით დატრიალდება. ENABLE1 გამომყვანზე ლოგიკური „0“ მიწოდება ძრავის გაჩერებას იწვევს. თუ ამ გამომყვანს მიკროკონტროლერის PWM სიგნალს მივაწოდებთ, შესაძლებელი იქნება ძრავის სიჩქარის რეგულირება. რა თქმა უნდა, მიკროსქემის მეორე ნაწილიც ანალოგიურად მუშაობს. თვით მიკროსქემა იკვებება ცალკე კვების წყაროდან Vss. მიაქციეთ ყურადღება მიკროსქემის გამოსასვლელებზე მიერთებულ დამცავ დიოდებს. არსებობს ამ მიკროსქემის მოდიფიკაცია D ასოს გარაშე, რომელიც დამცავ დიოდებს არ შეიცავს. ამ შემთხვევაში დიოდები გარედან უნდა მიუერთდეს შესაბამის გამიმყვანებს. L293D მიკროსქემის გამოყენება განსაკუთრებით მოსახერხებელია რობოტებში, რომლებშიც აღმძრავი მექანიზმი ტანკის პრინციპზეა აგებული, ანუ მარჯვენა და მარცხენა მუხლუხები ცალკცალკე ძრავებით იმართება. ასეთ პრინციპზე აგებულ რობოტებში არ არის საჭირო საჭის რთული მექნიზმის გამოყენება – მოხვევა ხორციელდება მუხლუხების სიჩქარის შესაბამისი ცვლილებით. თუ კონსტრუქციაში არ არის გათვალისწინებული ძრავების რევერსი, მაშინ L293D მიკროსქემას შეიძლება ოთხი ძრავა მიუერთდეს. ამ შემთხვევაში ძრავები უნდა ჩაირთოს შესაბამის გამომყვანსა და „მიწას“ შორის. იმუშავებს ის ძრავა, რომლის შესაბამის შესასვლელსაც ლოგიკური „1“ მიეწოდება. ქვემოთ მოყვანილია უმატრივესი რობოტების სქემები, რომლებიც აღწერილია საიტზე myrobot.ru. პირველი მათგანი იწყებს მოძრაობას, თუ ფოტოტრანზისტორს გავანათებთ  და ჩერდება სინათლის გამორთვისას. მეორე რობოტი ტანკის პრინციპზე არის აწყობილი. თუ სინათლე მხოლოდ ერთ ფოტოტრანზისტორს ეცემა, მაშინ მხოლოდ ერთი ძრავი მუშაობს და რობოტი იწყებს ტრიალს. ტრიალი გაგრძელდება მანამ, სანამ რობოტი მოძებნის მიმართულებას, რომელიც უზრუნველყოფს ორივე ფოტოტრანზისტორის განათებას. ამის შემდეგ რობოტი დაიწყებს მოძრაობას სინათლის წყაროს მიმართულებით.

მესამე რობოტს შეუძლია მოძრაობა თეთრი ფერის მოედანზე  შავი საღებავით დახატული ტრასის გასწვრივ. მისი შუქდიოდები LED1, LED2 ისე არიან განლაგებულნი და მიმართულნი, რომ შავი ფერის ტრასის ორივე მხარეს გაანათონ თეთრი ფერის მოედანი, საიდანაც სინათლე აირეკლება და ანათებს ფოტოტრანზისტორებს. რობოტის ორივე ძრავი მუშაობს და რობოტი მოძრაობს პირდაპირი მიმართულებით. თუ ერთერთი შუქდიოდის სინათლე მოხვდება შავი ფერის ზოლს, მაშინ ზოლიდან არეკლილი სინათლე არასაკმარისი აღმოჩნდება შესაბამისი ფოტორეზისტორის ჩასართავად, რაც გამოიწვევს ერთი ძრავის გაჩერებას და რობოტი მოუხვევს ჩაბნელებული ფოტორეზისტორის მხარეს. ამ დროს ისევ განათდება ორივე ფოტორეზისტორი და რობოტი გააგრძელებს პირდაპირი მიმართულებით მოძრაობას. შავი ზოლის სიგანე დაახლოებით 3 სმ უნდა იყოს, ხოლო შუქდიოდებისა და ფოტოტრანზისტორების ოპტოელექტრონული წყვილები უნდა განლაგდნენ ზოლის სიახლოვეს, მის ორივე მხარეს.