Scopo del diodo e del condensatore in questo circuito del motore

Sto collegando un piccolo motore DC a un arduino usando un transistor NPN usando i seguenti diagrammi che ho trovato online:

Il circuito funziona e sono riuscito a far funzionare il motore. Ora sto cercando di capire perché funziona così. In particolare, vorrei capire:

1. Perché il diodo e il condensatore sono collegati in parallelo al motore? Che ruolo svolgono qui?

2. Perché è necessario un resistore tra il transistor e il pin PWM digitale sull'arduino? Sarebbe sicuro far funzionare il circuito senza di esso?

Il diodo deve fornire un percorso sicuro per il contraccolpo induttivo del motore. Se si tenta di spegnere improvvisamente la corrente in un induttore, si produrrà tutta la tensione necessaria per mantenere la corrente che scorre a breve termine. Detto in altro modo, la corrente attraverso un induttore non può mai cambiare istantaneamente. Ci sarà sempre una pendenza limitata.

Il motore è parzialmente un induttore. Se il transistor si spegne rapidamente, la corrente che deve ancora fluire attraverso l'induttore per un po 'fluirà attraverso il diodo e non causerà alcun danno. Senza il diodo, la tensione che attraversa il motore aumenterebbe quanto basta per mantenere il flusso di corrente, il che probabilmente richiederebbe la frittura del transistor.

UN piccolo condensatore attraverso il motore ridurrà la velocità delle transizioni di tensione possibilmente veloci, il che provoca meno radiazioni e limita il dV / dt al quale è sottoposto il transistor. 100 nF è eccessivo per questo e impedirà un funzionamento efficiente a tutte le frequenze PWM tranne basse. Userei 100 pF o giù di lì, forse fino a 1 nF.

Il resistore deve limitare la corrente che deve essere generata dall'uscita digitale e che la base del transistor deve gestire. Il transistor BE si presenta come un diodo al circuito esterno. La tensione sarà quindi limitata a circa 750 mV. Tenere un'uscita digitale a 750 mV quando si tenta di guidare a 5 V o 3,3 V non è conforme alle specifiche. Potrebbe danneggiare l'uscita digitale. Oppure, se l'uscita digitale può generare molta corrente, potrebbe danneggiare il transistor.

1 kΩ è di nuovo un valore discutibile. Anche con un'uscita digitale a 5 V, ciò metterà solo 4,3 mA circa attraverso la base. Non mostrate le specifiche per il transistor, quindi immaginiamo che abbia un guadagno minimo garantito di 50. Ciò significa che potete contare solo sul transistor che supporta 4,3 mA x 50 = 215 mA di corrente del motore. Sembra basso, soprattutto per l'avvio, a meno che questo non sia un motore molto piccolo. Vorrei vedere cosa può produrre in sicurezza l'uscita digitale e regolare R1 per trarne la maggior parte.

Un altro problema è che il diodo 1N4004 è inappropriato qui, soprattutto perché accenderete e spegnerete il motore rapidamente, come implicito da "PWM". Questo diodo è un raddrizzatore di potenza destinato alle normali frequenze della linea di alimentazione come 50-60 Hz. Ha un recupero molto lento. Utilizzare invece un diodo Schottky. Qualsiasi diodo Schottky 1 A 30 V generico andrà bene e sarà migliore di un 1N4004.

Posso vedere come questo circuito sembra funzionare, ma chiaramente non è stato progettato da qualcuno che sapeva davvero cosa stavano facendo. In generale, se vedi un arduino in un circuito che trovi sulla rete da qualche parte, specialmente uno semplice, supponi che sia stato pubblicato perché l'autore lo considera un grande risultato. Coloro che sanno cosa stanno facendo e tracciano un circuito come questo in un minuto non ritengono che valga la pena scrivere una pagina web. Ciò lascia quelli che hanno impiegato due settimane per far girare il motore senza far saltare il transistor e non sono davvero sicuri di cosa faccia tutto per scrivere queste pagine web.

Quando gli avvolgimenti del motore trasportano corrente, generano un campo magnetico. Ci vuole energia per farlo e l'energia viene immagazzinata nel campo magnetico. Se la corrente viene improvvisamente interrotta, il campo magnetico collasserà. Questo mutevole campo magnetico indurrà una corrente nell'avvolgimento che è molto più alta del solito e produrrà una tensione più elevata attraverso gli avvolgimenti. È molto corto e può essere piuttosto impressionante.

La chiave per la corrente indotta è il campo mutevole. Puoi vedere lo stesso effetto in un interruttore della luce domestica. Se hai interruttori che non sono di tipo mercurio ("interruttori silenziosi"), a volte puoi vedere una scintilla o un lampo di luce quando spegni le luci. Se si interrompe la connessione quando la corrente CA passa vicino allo zero, non accade nulla. Se ti rompi vicino al picco della corrente, il cablaggio delle luci ha il massimo campo magnetico attorno ad esso e collasserà con un picco di tensione sufficiente per innescare l'interruttore della luce.

Nota che il tuo diodo punta verso il lato + del circuito. Il campo che cambia produce un "EMF posteriore" o una tensione che va nella direzione sbagliata. L'energia esce dal tubo in cui è entrata. (Spero di avere quel diritto. Verificherò e modificherò se l'ho indietro.) Il diodo condurrà se il potenziale, o la tensione, attraverso l'avvolgimento del motore è superiore a circa 0,6 V nella direzione "sbagliata". Per DC, questo è semplice. Per PWM è più simile all'AC e un circuito affidabile di qualità è più complicato.

Come diceva @OlinLathrop, il resistore di base potrebbe essere un po 'grande. Come esempi tipici, 2N2222 e 2N3904 hanno un guadagno beta o corrente di circa 30 a CC che sale con una frequenza di 300-400. Se si possiede gran parte di un motore, il transistor non fornisce corrente né si brucia. Puoi calcolare la dissipazione di potenza nel transistor a circa 1 W per Amp e molto più alto se le cose non sono sintonizzate correttamente. (Non è possibile mettere in parallelo i transistor bipolari senza molto lavoro aggiuntivo. Man mano che si surriscaldano, la resistenza diminuisce e più corrente scorre e quella che riscalda il maiale più veloce della corrente, solitamente alla distruzione). Puoi vedere che i piccoli driver dei motori venduti per gli Arduinos hanno un dissipatore di calore o una grande parte con una sezione metallica destinata ad essere utilizzata con un dissipatore di calore.

Il cappuccio attenua i picchi attuali. Man mano che si allargano nel tempo, diminuiscono nella corrente di picco e quindi la tensione prodotta dalla corrente nel circuito è inferiore. Se il tuo motore ha spazzole, stai ricevendo il flusso di corrente on / off alla velocità del motore. Ancora una volta siamo tornati a cambiare le correnti e cambiare i campi. Ecco da dove proviene il rumore delle radiofrequenze. La diffusione di questi picchi di corrente significa che il tasso di variazione della corrente è inferiore e di conseguenza RFI (Radio Frequency Interference) è inferiore. Scommetto che se metti una radio AM vicino al tuo circuito e la sintonizzi su un punto senza stazione radio, sarai in grado di dire quando il motore è in funzione. Prova tappi di dimensioni diverse e vedi se rilevi differenze.