Как управлять двигателями постоянного тока с помощью интегральной схемы драйвера мотора L293D

Управление двигателем с помощью микроконтроллера не так просто, как прямое подключение его к выходному контакту. Большинство микроконтроллеров не могут обеспечить достаточный ток для безопасного привода моторов, и попытка сделать это может повредить цепь. L293D — одна из самых широко используемых интегральных схем драйверов моторов в таких ситуациях. В этой статье вы узнаете, что такое L293D, как он работает внутри, его основные характеристики, функции контактов, процесс взаимодействия с Arduino и многое другое.

Каталог

Двойной H-мост L293D

L293D — это интегральная схема драйвера мотора с двойным H-мостом, разработанная для того, чтобы позволить микроконтроллерам с низким потреблением и логическим схемам управлять нагрузками с высоким током. Она служит интерфейсом между управляющей схемой и нагрузкой, обеспечивая надежное переключение и снижая риск повреждения чувствительных логических компонентов. Устройство поддерживает стандартные уровни логики DTL и TTL, что делает его совместимым со многими популярными микроконтроллерами и встроенными системами.

ИС содержит четыре канала драйвера, которые могут быть сконфигурированы как два H-моста, что позволяет независимо управлять двумя двигателями постоянного тока или одним биполярным шаговым двигателем. Она поддерживает напряжение питания мотора до 36 В, номинальный выходной ток до 600 мА на канал и частоту переключения до 5 кГц. L293D доступна в компактном корпусе на 16 контактов и по-прежнему является популярным выбором для управления моторами, прототипирования и образовательных проектов.

Основные характеристики и спецификации

Категория	Параметр	Спецификация
Общие	Тип устройства	Четырехканальный полумост / двойной H-мост двигателя IC
	Совместимость с логикой	Совместимость с DTL и TTL
	Количество каналов	4 канала драйвера
	Количество H-мостов	2
	Максимальная частота переключения	5 кГц
Особенности	Управление включением	Да
	Защита от перегрева	Да
	Внутренние диммерные диоды	Да
	Высокая шумозащита	Напряжение входного сигнала "0" до 1.5 В
Электрические	Напряжение питания мотора (Vs)	36 В Макс
	Напряжение питания логики (Vss)	36 В Макс
	Входное напряжение (Vi)	7 В Макс
	Напряжение включения (Ven)	7 В Макс
	Номинальный выходной ток	600 мА на канал
	Пиковый выходной ток (100 мкс неповторяющийся)	1.2 А на канал
	Общая мощность рассеивания (Ptot)	4 Вт
Тепловая	Температура хранения (Tstg)	-40°C до +150°C
	Температура соединения (Tj)	-40°C до +150°C
Упаковка	Корпус с выводами	PowerDIP-16 (L293D)
	Корпус для поверхностного монтажа	SO-20 (L293DD)
	Количество выводов	16 выводов (PowerDIP)
	Рассеивание тепла	Центральные выводы соединены для отвода тепла

Детали и функции распиновки L293D

Номер вывода	Название вывода	Тип	Функция
1	Enable 1 (EN1)	Вход	Включает драйвер 1 и драйвер 2. Должен быть HIGH, чтобы выходы 1 и 2 работали. Может использоваться для управления скоростью PWM.
2	Вход 1 (IN1)	Вход	Логический управляющий вход для выхода 1. Определяет направление мотора при использовании с входом 2.
3	Выход 1 (OUT1)	Выход	Выход драйвера, подключенный к одному из выводов мотора или нагрузки.
4	GND	Питание	Соединение с землёй для устройства.
5	GND	Питание	Соединение с землёй для устройства.
6	Выход 2 (OUT2)	Выход	Выход драйвера, подключенный к другому выводу мотора или нагрузки.
7	Вход 2 (IN2)	Вход	Логический управляющий вход для выхода 2. Работает с входом 1 для управления направлением.
8	Vs	Питание	Входное напряжение питания мотора. Поддерживает напряжение моторов до 36 В.
9	Enable 2 (EN2)	Вход	Включает драйвер 3 и драйвер 4. Должен быть HIGH, чтобы выходы 3 и 4 работали. Может использоваться для управления скоростью PWM.
10	Вход 3 (IN3)	Вход	Логический управляющий вход для выхода 3. Определяет направление мотора при использовании с входом 4.
11	Выход 3 (OUT3)	Выход	Выход драйвера, подключенный к одному из выводов второго мотора или нагрузки.
12	GND	Питание	Соединение с землёй для устройства.
13	GND	Питание	Соединение с землёй для устройства.
14	Выход 4 (OUT4)	Выход	Выход драйвера, подключенный к другому выводу второго мотора или нагрузки.
15	Вход 4 (IN4)	Вход	Логический управляющий вход для выхода 4. Работает с входом 3 для управления направлением.
16	Vss	Питание	Входное напряжение питания логики (обычно 5 В) для внутренних управляющих схем.

Функциональная блок-схема L293D

Функциональная блок-схема показывает, как управляющие сигналы проходят через L293D для управления подключенной нагрузкой. Когда логический сигнал подается на один из входных выводов, он поступает во внутреннюю управляющую схемотехнику, которая обрабатывает сигнал и определяет состояние соответствующего выходного драйвера. Выходная стадия затем использует напряжение питания мотора для подачи необходимого тока на нагрузку, подключенную к выходным выводам.

Диаграмма также иллюстрирует, как каждая пара входов и выходов образует драйвер H-моста. Изменяя логические состояния входов, ток может течь через нагрузку в разных направлениях, позволяя осуществлять вращение мотора вперед и назад. Выводы Enable действуют как управляющие шлюзы для каждого секции H-моста и могут использоваться для включения или отключения выходов или применения сигналов PWM для управления скоростью. Этот поток сигналов от входа к выходу позволяет L293D осуществлять контролируемое двустороннее переключение для приложений управления моторами.

Процесс интерфейса L293D с Arduino

Основная схема подключения показывает Arduino Uno, подключенный к микросхеме драйвера моторов L293D, которая используется для управления двумя DC моторами. Arduino предоставляет логические управляющие сигналы, в то время как отдельный источник питания на 5 В обеспечивает ток, необходимый моторам. L293D действует как интерфейс между низковольтными выводами Arduino и более высокими токами моторной нагрузки. Входные выводы на L293D получают управляющие сигналы от Arduino, в то время как выходные выводы подключаются непосредственно к моторам. И Arduino, и внешний источник питания должны иметь общий провод заземления для обеспечения правильной работы.

Скорость мотора можно контролировать с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В этом методе Arduino отправляет сигнал ШИМ на один из выводов Enable L293D. Изменяя скважность ШИМ, среднее напряжение, подаваемое на мотор, меняется, позволяя плавно регулировать скорость без изменения напряжения питания.

Направление мотора контролируется через входные выводы. Например, установка IN1 на HIGH и IN2 на LOW заставляет мотор вращаться в одном направлении, в то время как изменение логических уровней заставляет мотор вращаться в противоположном направлении. Применение одного и того же логического уровня к обоим входам может остановить или тормозить мотор в зависимости от конфигурации схемы.

Одна из самых распространённых ошибок программирования — это забывание настроить вывод enable как выход или оставление его на уровне LOW, что предотвращает работу мотора. Неправильные назначения пинов в коде также могут вызывать неожиданные поведенческие эффекты мотора. Ещё одной частой проблемой является несоответствие общего заземления между Arduino и источником питания мотора, что приводит к нестабильной работе или отсутствию реакции мотора вообще.

L293D против других ИС драйвера мотора

Спецификация	L293D	L298N	TB6612FNG	DRV8833	BTS7960
Тип драйвера	Двойной H-мост	Двойной H-мост	Двойной H-мост	Двойной H-мост	Полный H-мост
Напряжение питания мотора	4.5 В до 36 В	5 В до 46 В	4.5 В до 13.5 В	2.7 В до 10.8 В	5.5 В до 27 В
Логическое напряжение	4.5 В до 7 В	5 В	2.7 В до 5.5 В	2 В до 7 В	3.3 В до 5 В
Непрерывный выходной ток	600 мА/канал	2 А/канал	1.2 А/канал	1.5 А/канал	43 А
Пиковый выходной ток	1.2 А/канал	3 А/канал	3.2 А/канал	2 А/канал	55 А
Внутренние защитные диоды	Да	Нет	Да	Да	Да
Тепловая защита	Да	Да	Да	Да	Да
Поддержка ШИМ	Да	Да	Да	Да	Да
Выходная технология	Биполярные транзисторы	Биполярные транзисторы	MOSFET	MOSFET	MOSFET
Эффективность	Низкая	Низкая	Высокая	Высокая	Очень высокая
Потеря напряжения	Высокая (≈1.2–1.8 В на стороне)	Высокая (≈2–4 В всего)	Низкая (<0.5 V typical)	Низкая (<0.4 V typical)	Очень низкая
Генерация тепла	Высокая	Высокая	Низкая	Низкая	Низкая
Требуется внешний радиатор	Обычно не требуется	Часто требуется	Редко требуется	Редко требуется	Требуется при высоком токе
Количество DC моторов	2	2	2	2	1 высокомощный мотор
Лучше всего для	Малые DC моторы, образовательные проекты	Моторы средней мощности	Роботы, батарейные устройства	Компактные портативные конструкции	Высокомощные моторы и робототехника

Типичные приложения и сценарии использования

Образовательные проекты и проекты на основе Arduino

L293D широко используется в образовательных проектах и на образовательных платформах на базе Arduino. Его простой интерфейс позволяет новичкам управлять DC моторами и изучать основные концепции, такие как управление направлением мотора, управление скоростью ШИМ и работа H-моста без необходимости в сложных схемах.

Малые мобильные роботы

Многие небольшие роботизированные устройства используют L293D для независимого управления двумя DC моторами. Это позволяет роботу двигаться вперед, назад, поворачивать влево и вправо, управляя направлением и скоростью каждого мотора отдельно.

Управление шаговым двигателем

Двойная архитектура H-моста L293D может использоваться для управления биполярными шаговыми моторами. Энергизируя катушки мотора в определенной последовательности, драйвер позволяет выполнять точные пошаговые движения для приложений позиционирования.

Управление реле и соленоидами

L293D может управлять реле и соленоидами, которые требуют большего тока, чем может предоставить выходной пин микроконтроллера. Его встроенные защитные диоды помогают подавлять импульсы напряжения, возникающие при переключении этих индуктивных нагрузок.

Автоматизированные системы управления

В простых системах автоматизации L293D используется для управления маленькими актуаторами, клапанами и механическими устройствами. Драйвер предоставляет простой способ интерфейса логических схем с электромеханическими нагрузками.

Механические размеры

Производитель

STMicroelectronics является одним из ведущих производителей полупроводников в мире, с многолетним опытом разработки и производства аналоговых, силовых, моторных и смешанных интегральных схем. Для таких продуктов, как интегральная схема драйвера мотора L293D, STMicroelectronics использует зрелые процессы производства полупроводников, чтобы обеспечить стабильную электрическую работу, надежность, термальную стабильность и долгосрочную доступность продукта. Его производственные способности поддерживаются обширными ресурсами исследований и разработок, автоматизированными производственными системами и соблюдением международных стандартов качества и охраны окружающей среды.

Часто задаваемые вопросы [FAQ]

1. Почему у L293D есть отдельные выводы питания для логики и мотора?

L293D использует отдельные источники питания, чтобы логическая схема и схема мотора могли работать при разных напряжениях. Это позволяет низковольтному микроконтроллеру управлять более высоковольтным мотором, не подвергая управляющую схемотехнику напряжению питания мотора.

2. Как L293D защищается от скачков напряжения, создаваемых моторами?

L293D включает внутренние диоды-клампы, которые поглощают обратное напряжение, возникающее при отключении индуктивной нагрузки. Эти диоды помогают предотвратить повреждение драйвера и улучшают общую надежность схемы.

3. Почему мотор, управляемый L293D, часто работает медленнее, чем ожидается?

L293D использует выходные каскады на биполярных транзисторах, которые создают падение напряжения между источником питания и мотором. В результате мотор получает меньше напряжения, чем предоставляет источник питания, что может снижать скорость и момент.

4. Может ли L293D независимо управлять двумя моторами на разных скоростях?

Да. Каждая секция H-моста может управляться отдельно. Нанесением различных сигналов ШИМ на выводы включения каждый мотор может работать на своей скорости и направлении.

5. Что произойдет, если вывод включения оставить неподключенным?

Соответствующие выходы могут оставаться отключенными или работать непредсказуемо. Вывод включения должен быть подключен к определенному HIGH или ШИМ сигналу, чтобы обеспечить правильное управление мотором.

6. Почему требуется общий провод между Arduino и источником питания L293D?

Общий провод обеспечивает общий напряженческий опор, между управляющей схемой и драйвером мотора. Без него логические сигналы могут не интерпретироваться правильно, что приводит к ненадежной работе.

7. Когда следует выбрать современный драйвер мотора вместо L293D?

Для устройств с батарейным питанием, моторов с высоким током или приложений, требующих максимальной эффективности, современные драйверы на основе MOSFET, такие как TB6612FNG или DRV8833, часто являются лучшими выборами, поскольку они выделяют меньше тепла и расходуют меньше энергии.