<<

#142 ; La demonstra teko de elektraj motoroj rebatas reen

>>

La destino de mia demonstra teko de mikroregila gvido de malgrandaj elektraj motoroj estis vintre iom trista kiel vi vidas en la malnova artikolo #114. Somere mi tamen kolektos novaj fortoj kaj plibonigos la konstruaĵojn kaj skribos pri ili pli detale. La batalo kontinuas. Nenio estas perdita. Ni venkos!

La unua projekto estas pelo de DC-motoro per fortigita PWM-signalo (Pulse Width Modulation) de Arduino Uno. Ĉi tiu konstruaĵo falis sur planko en vintro dum demostrado, sed ĝi ne rompiĝis malbone. La malgrandaj mekanikaj problemoj estas jam riparitaj. Estas tempo por dokumenti pli bone kaj mezuri.

La konstruaĵo konsumas en la foto proksimume 0,3 A @ 5 V aŭ 1,5 W da elektro, sed ĝi ne estas tre efekta kiel ventumilo. Estas tamen interesa.

Mi ja antaŭe iom skribis pri PWM en artikolo #107. Tiu motoro tamen estis alia. Ĉi tiu motoro de ventumilo konsumas multe pli da kurento kaj la tensio por la motoro devas esti pli malalta ol tiuj 9 voltoj. Eĉ 5 voltoj estas tro multe por la motoro de ventumilo. Oni povas diri ke la strukturo de ĉi tiu motoro estas iom kruda.

Mi certe ja ne estas ia artisto, sed mi tamen aspiris ian artistan impreson kun la aparato. Estas multaj LEDoj post la ventumilo. La LEDoj estas blankaj kaj senkoloraj sed estas koloraj pecoj de vitro fronte de ili. Mi kredis ke la rezulto de tiu aranĝo povus esti interesa. Kristnaska ventumilo!

Dekstre ni vidas la rotaciantan ventumilon kiam mi fotis ĝin per fulma lumo tiel ke la movo de ventumilo ŝajnas halti en la foto. La lumiga tempo estas tiel kurta ke la fakte movanta ventumilo aperas haltita. La senkoloraj LEDoj brilas samtempe, sed ili ne aperas tre helaj en foto pro la fulma lumo de fotilo.

La rezulto de senkoloraj LEDoj kaj koloraj pecoj da vitro post la rotacianta ventumilo eble ne estis tiel bona kiel mi atendis. Sube ni vidas ankaŭ du fotoj sen fulma lumo de fotilo. Lumiga tempo de fotilo estas pli longa. La lumo tra la pecoj de vitro ŝajnas deprime preskaŭ senkolora.

Estus ja multe pli distraĵa, amuza kaj pli bone se eblus konstrui la aparaton tiel ke la koloraj vitropecoj aŭ la LEDoj movus kaj eĉ kiel eble plej malregule, tiel ke la kolora lumo tuttempe estus en movo, sed tio estus en praktiko tre komplike.

La LEDoj povus esti fiksaj kaj senkoloraj. Antaŭ ili estus rotacianta disko kun koloraj pecoj de vitro. Hmmm, tio tamen devas esti io alia projekto.

La 4 pli malproksimaj LEDoj estas vere koloraj, en ordo ruĝa, flava, verda kaj blua. Nur unu el ili fakte lumigas samtempe, sed en foto de longa lumiga tempo povas esti videble du LEDoj brilaj samtempe.

Jen du fotoj de ĉi tiu fajna aparato sen fulma lumo de fotilo:

En multaj scienc-fikciaj filmoj pri veturado tra tempo oni vidas rotaciantan diskon. Eble mi havis tion ideon en mia menso kiam mi konstruis la aparaton. La francaj interŝanĝaj studentoj tamen tute ne malaperis vintre en la klaso dum prezentado de DEMO-teko en angla leciono. Veturado tra tempo per rotacianta disko eble ne funkcias? Aŭ eble ĝi nur postulus pli da efekto? Kun pli granda efekto de aparato kelkaj francaj interŝanĝaj studentoj eble estus ĵetitaj el angla leciono tra la tempo malproksimen al ŝtonepoko aŭ eble al futuro? Oni neniam scios.

Mi do sekve intencas dokumenti la aparaton pli bone. Jen la elektra skemo de cirkvito:

Por la motoro de venturmilo la vendisto anoncas 0,3A @1V kaj 1,3A @3V. La kurento do estas iom granda por tiuj malaltaj tensioj. Multe pli ol unu ampero tamen estus jam tro granda kurento por mia aparato. Mi decidis uzi 2 reostatojn 1Ω de iom granda efekto 3W en serio por limigi la kurenton de motoro, sume 2Ω. Kurento de 1A kaŭzus perdon de tensio U = R*I = 2Ω * 1A = 2 voltoj en la reostato kaj por la motoro restus 5 - 2 = 3 voltoj da tensio. Tial la kurento de motoro ne povus kreski tro granda kiam mi uzas fonton de elektro per tensio 5 voltoj. Nenia risko minacas la fortaj 3W reostatoj eĉ tiam se la kurento estus iom pli ol 1A. Kaj mi ja intencas uzi nur proksimume duonon de tuta efekto.

Por la multaj senkoloraj LEDoj mi uzas 7 korpoj da 1/8 W reostatoj de 220Ω paralele por limigi la kurenton kiam la tensio estas proksimume 5V. Sume la paralelaj reostatoj estas proksimume 31Ω. Se estas 18 LEDoj paralele, la suma kurento povus esti ekzemple 80 miliamperoj aŭ 0,08A kaj tiam la perdo de tensio en la reostato estus U = R*I = 31Ω * 0,08A = 2,48 voltoj.

Tial restus proksimume la oportuna tensio 2,5 V por la LEDoj. La kurento 80 miliamperoj estus iom granda por la malgrandaj reostatoj (suma efekto iom malpli ol 1W), sed probable la kurento ne kreskas tiel granda en praktiko. La ideo ja plejparte estas uzi nur proksimume duonon de tuta efekto per PWM-pulsoj.

La RC-cirkvito konsistas el 100μF kondensatoro kaj 110Ω reostato en serio. Oni povas kalkuli τ = R*C = 110 * 100*10-6 = 11*10-3 kaj la konstanto de tempo por la RC-cirkvito do estus proksimume 11 milisekundoj. Tiu tamen estas tro longa kaj apenaŭ havas ion influon al la tensio de motoro.

La frekvenco de PWM-signalo estas proksimume 500 Hz kaj tial unu ciklo daŭras T = 1/f = 1 / 500 = 0,002 s aŭ 2 milisekundoj. Duono de 50% pulso do daŭras 1 ms. Nu la konstanto de tempo por la RC-cirkvito povus ja esti iom pli kurta tiel ke la kondensatoro havus pli bone tempon por reakcii pro la tensiaj pikoj.

La ideo de konektiloj estas ke oni povas uzi la motoron sole aŭ kun la paralelaj LEDoj aŭ kun la paralela RC-cirkvito.

La seriaj reostatoj ebligas mezuri la kurenton per osciloskopo. Supozeble la kondensatoro povus iom obtuzi la pikojn de tensio kiujn la rotacianta motoro kaŭzas. Sed la praktika mezurado decidos kio estas la vero.

Sekve ni bezonas mezuri per osciloskopo kia estas la formo de tensio kaj kurento en la cirkvito kiam unu PWM-ciklo daŭras proksimume 2 milisekundoj. Ni mezuros per diversaj elektoj kaj pozoj de konektiloj.

La formo de PWM-pulso el Arduino Uno en la apuda foto (mezuro PWM en la supra bildo) estas ja tre bela, pura kaj nesentema al la funkcio de motoro. La forta MOSFET portas la kargon kaj ĝi bezonas nur tre malmulte da kurento el iom malforta Arduino Uno.

En ĉi tiuj fotoj konsumis la aparato proksimume 0,5 A da kurento kiam la motoro turnis kaj la ciklo estis uzata proksimume 65%. La ventumila motoro jam iom bruas je tiu iom granda efekto. Ĝi estas iom forta motoro en ĉi tiu klaso de grando.

En la fotoj la bluaj rektanguloj estas horizontale 0,5 milisekundoj da tempo kaj vertikale 1 volton da elektra tensio. La ciklo estas proksimume 4 kvadratoj en la osciloskopa bildo aŭ daŭras 2 milisekundoj kiel ni vidas en la fotoj.

Kiam ni fotas la tension de motoro (mezuro UMOT en la supra bildo), estas ja bildo iom alia ol pura rektangula PWM-signalo. La protekta diodo tranĉas la tro negativan tension for. Estas iom da kurioza strukturo en la signalo.

La ventumila motoro ricevas proksimume 2 voltoj el tiuj 5 voltoj kiam la MOSFET lasas kurenton pasi. Meznombre la tensio por la motoro estas 1,5V kiam la ciklo estas 65%. La tensio trans la motoro tamen ne estas tute nulo eĉ tiam kiam la MOSFET blokas la kurenton. La motoro ja rotacias kaj funkcias kiel generatoro de elektro.

Ni vidas pikoj en la tensio trans la motoro precipe kiam la FET komencas kaj ĉesigas blokadi la kurenton. Tiujn kaŭzas la bobenilo en la motoro. La direkto de tensiaj pikoj estas alia kiam la kurento komencas kaj ĉesas flui tra la motoro. Plian variadon de tensio kaŭzas la interna funkciado de motoro. Estas malfacile diri akurate kaj detale pri tio, sed eble estas brosoj en la motoro kaj la kontakto iom varias. Eble la rotacia rapido de motoro havas sian propran efikon al tensio. Eble okazas ia elektra oscilado en la motoro?

Kiam ni mezuras la tension de 2Ω reostato (mezuro URM en la supra bildo) de ventumila motoro, ni ricevas ian komprenon pri la elektra kurento kiu pasas tra la motoro.

La formo de tensio trans la 2Ω seria reostato iom similas al la tensio de motoro. La tensio de reostato tamen estas nulo kiam la MOSFET blokas la kurenton. Nenia kurento, nenia perdo de tensio en la reostato.

Kiam la MOSFET lasas kurenton pasi tra la motoro, estas la perdo de tensio en la reostato plejparte nur 1V, sed en komenco eĉ 2V pro la pli granda kurento.

Do kredeble la kurento tra la motoro estas paseme eĉ 1A kiam la MOSFET malfermiĝas sed ordinare nur 0,5 amperoj.

Sed kiel kondutas la kurento de 18 paralelaj LEDoj?

Kiam la motoro ne funkcias, estas la formo de tensio en la seria reostato (mezuro URLED en la supra bildo) tre regula kiel la apuda foto atestas dekstre. Tensio en la reostato estas maksimume 2V kaj la resto de tensio 5V estas por la LEDoj kaj la MOSFET.

Se la reostato de LEDoj estas 31Ω do estas la kurento tra la LEDoj proksimume 65 miliamperoj kiam la MOSFET lasas kurenton pasi. Nome I = U / R = 2V / 31Ω = 0,0645 amperoj

La tensio trans la reostato de LEDoj estas tamen iom alia kiam la ventumila motoro funkcias, kiel la maldekstra foto montras.

La rotacianta motoro evidente kaŭzas ke la tensio en la reostato de LEDoj malkreskas. Mi ne estas tuj tute certa kial tio fenomeno okazas.

La kurento tra la LEDoj do estas iom pli malgranda kiam ankaŭ la motoro funkcias. Eble tiam pli da tensio estas perdita en la MOSFET pro la multe pli granda kurento.

La multaj LEDoj povas kune konsumi nur proksimume 0,070 amperoj, sed la motoro povas sole facile manĝegi 0,500 amperoj aŭ eĉ pli da elektra kurento. Kredeble la preskaŭ 10-obla kurento tra la motoro povas kaŭzi pli da perdo de tensio trans la MOSFET kiam ĝi lasas kurenton pasi.

La kurento tra la diodoj ja estas tre sentema por la tensio. La rezistanco de reostato restas konstanta. La rezistanco de diodoj kaj transistoroj tamen dependas de tensio kaj kurento. Tio estas la ideo de reostato en serio kun diodo. Rezistanco de reostato restas praktike la sama kaj ĝi ebligas tion ke ni povas reguligi la kurenton tra la diodo. Ni nur selektas oportunan reostaton por la uza tensio.

Jes, mi devas nun iom ripozi kaj ankoraŭ certigi ĉi tiuj rezultoj kaj sekve pensi pri la RC-cirkvito.


Oni ja povus prezenti teorion ke en la supra bildo devus esti UFET + UMOT + URM = 5V kiam la motoro funkcias. Oni povus ankaŭ postuli ke tiam kiam la paralelaj LEDoj brilas, devus esti la perdo de tensio en LEDoj + URLED la sama kiel UMOT + URM. Ni tamen ne povas esti tute certaj ke la tensio estas precize 5V tutan tempon.

Kia do aspektas UFET, la perdo de tensio trans la FET-transistoro? La apuda foto prezentas tion. La pulso estas proksimume la sama kvankam estas alia mezuro.

La tensio trans la MOSFET estas plej alta kiam la transistoro blokas kurenton. Tio okazas kiam la PWM-pulso havas malaltan tension. Plej alta tensio trans FET estas proksimume 5½ voltoj sed ĝi rapide malaltiĝas ĝis 4 voltoj kiel osciloskopa bildo malkovras. La kurento tra la FET estas tre malgranda kiam ĝi blokas, praktike nulo.

La tensio trans la forta transistoro estas plej malalta kiam la FET permesas kurenton pasi. Tio okazas kiam la tensio en la PWM-pulso estas alta. Tiam la perdo de tensio trans la FET estas nur proksimume 0,2 voltoj. La motoro rotacias. Kurento 0,5 amperoj kaŭzas tiam en la FET perdon de efekto nur P = U*I = 0,2 V * 0,5 A = 0,1 W, relative malmulte kompare ekzemple al la motoro.

Ni vidas ke la alta tensio trans la FET estas "normale" nur proksimume 4 voltoj. Kie estas la el tuta 5V mankanta unu volto? La kurento ja ne fluas kiam la FET blokas, do kial la tensio trans la FET ne estas tute 5 voltoj? Mi kredas ke la motoro kreas tiun "mankantan" volton kiam ĝi turnas dum FET blokas kaj la motoro laboras kiel generatoro. Tial restas nur 4 voltoj por la FET.

Ordinara DC-motoro pelita per fortigitaj PWM-pulsoj estas surprise komplika kaj interesa tutaĵo. Ni rigardu denove al la tensio trans la DC-motoro, mezuro UMOT en la supra desegnaĵo.

Puraj kaj belaj PWM-pulsoj de alta tensio transformiĝas multe kiam oni fortigas ilin kaj pelas per ili ordinaran DC-motoron.

Ordinare la alta tensio estas 2 V trans la motoro kiam ĝi ricevas kurenton, sed ekzistas kurtaj negativaj pulsoj eĉ -1,5 voltoj kaj pozitivaj eĉ +4½ voltoj, kvankam ni povas permesi nur parton de 5V tensio por la motoro.

La kurtaj tensiaj pikiloj trans la motoro daŭras eble nur 0,1 milisekundoj. La frekvenco de tiuj pulsoj do estas proksimume dek miloj da hercoj, 10 kHz.

Ĉi tiu ja estas DC-motoro kaj la rotacian rapidon de motoro determinas la meza tensio por la motoro kaj la kargo. Pli da meznombra tensio kaŭzas pli rapidan rotacion. Pli da kargo signifas pli malrapidan rotacion. La frekvenco de PWM-pulsoj restas la sama kaj la rotacio de motoro estas sendependa de frekvenco de pulsoj. Ĉi tiu ja ne estas iu "stepper". La tensiaj pikiloj de motoro eble havas ion por fari kun la rotacia rapido, sed estas malfacile diri. La rotacia rapido de motoro estas por mi nekonata.

Se oni volas obtuzi la tensiajn pikojn de motoro per kondensatoro, devas la tempa konstanto de RC-cirkvito esti multe pli mallonga ol 11 ms. Do tiu RC-cirkvito ne estas tre utila.

Mi kredas ke la tempa konstanto de RC-cirkvito devus esti iom pli mallonga ol la daŭro de pulsoj kiujn oni volas obtuzi. Eble mi poste returnos al tiu temo. Krome estas ankaŭ io praktika problemo en la programo de mikroregilo. Mi do devus pritrakti ankoraŭ la programon pli bone.

Kaj ĉu ni malvenkos en la eterna milito de vivo? Ne ne ne, certe .......... NI VENKOS!

La Ambasadoro en Pori
de sendependa nacio
Mueleja Insulo


Menuo
Ĉefa paĝo (finna lingvo)