Драйверы двигателей, ключей и индикаторов

Справочные карточки драйверов, которыми микроконтроллер управляет двигателями, реле, мощными ключами и светодиодными индикаторами, с параметрами из даташитов. Главное, что нужно проверить у драйвера, — не только ток, но и сколько напряжения он теряет и куда девать тепло.

Вывод микроконтроллера отдаёт единицы и десятки миллиампер, а двигатель или соленоид требует сотни миллиампер и амперы при напряжении больше логического. Между ними ставят драйвер — микросхему с мощными ключами и логическими входами. Устройство H-моста, сквозной ток и выбор между биполярными и MOSFET-драйверами разобраны в статье «Драйверы H-моста», управление двигателями — в статьях «Управление коллекторным двигателем» и «Шаговые двигатели».

Карточки

Модель	Тип	Питание нагрузки	Ток	Особенность
L293D	четыре полумоста, два H-моста	4,5–36 В	0,6 А на канал	встроенные защитные диоды, логика 5 и 3,3 В
DRV8833, TB6612FNG	два H-моста на MOSFET	2,7–10,8 В и 2,5–13,5 В	1,5 А и 1 А на мост	доли ома на ключах, DRV8833 ограничивает ток сам
DRV8871	один H-мост на MOSFET	6,5–45 В	3,6 А пиковый	ток ограничивается резистором на ILIM без шунта, сон при IN1 = IN2 = 0
DRV8838, DRV8837	один H-мост на MOSFET	0–11 В, логика 1,8–7 В	1,8 А пиковый	280 мОм, PH/EN или IN/IN, сон 120 нА, WSON-8 2 × 2 мм
ULN2003	семь ключей нижнего плеча	до 50 В	0,5 А на канал	только включение на общий провод, диоды на выводе COM
TPIC6B595	сдвиговый регистр с 8 ключами на общий провод	до 50 В на стоке, логика 4,5–5,5 В	150 мА на выход	как 74HC595 с силовыми выходами; вход только 5-вольтовый (0,85 · VCC)
IR2110, IR2113	драйвер затворов верхнего и нижнего ключа	плавающий канал до 500 и 600 В	импульс 2 А	бутстрепное питание верхнего ключа, мёртвое время задаёт микроконтроллер
MAX7219, MAX7221	драйвер светодиодных индикаторов, 8 разрядов по 8 сегментов	питание 4,0–5,5 В	до 40 мА на сегмент	последовательный интерфейс, 16 ступеней яркости, каскад
LM3914	драйвер шкалы на 10 светодиодов, линейная шкала	характеристики при 3–20 В, предел 25 В	ток светодиодов задаётся резистором опорного источника	точка или столбик, каскад; снят с производства
A4988, DRV8825	драйвер биполярного шагового двигателя с транслятором шагов	8–35 В и 8,2–45 В	±2 А и 2,5 А (предел)	вход STEP/DIR, микрошаг до 1/16 и 1/32, ток задаёт VREF
PCA9685	16 каналов ШИМ по I²C	питание 2,3–5,5 В	25 мА в нуле на канал	12 бит, 24–1526 Гц, до 62 микросхем на шине, сервоприводы на 50 Гц
WS2812B	RGB-светодиод со встроенным драйвером	3,7–5,3 В (V5), 3,3–5,3 В (V6)	12 мА на цвет при измерении яркости	800 кбит/с по одной линии, цепочка до 1024 и больше
TC4420, TC4429	драйвер затвора одного MOSFET, неинвертирующий и инвертирующий	4,5–18 В	6 А пиковый	25 нс фронты на 2500 пФ; DIP-8, SOIC-8, TO-220-5
IR2104, IR2104S	полумостовой драйвер с одним входом и SD	плавающий верхний канал до 600 В, VCC 10–20 В	130/270 мА	мёртвое время 520 нс встроено; бутстрепное питание, UVLO
IR2153, IR2153D	самотактируемый полумостовой драйвер	до 600 В, стабилитрон 15,6 В по VCC	фронты 80/45 нс на 1 нФ	генератор на RT и CT, скважность 50 %, мёртвое время 1,2 мкс
TLC5940	16 каналов светодиодов с ШИМ 4096 градаций	выходы до 17 В, VCC 3–5,5 В	до 120 мА на канал	ток задаётся резистором IREF, dot correction 64 ступени, каскадирование

Драйверы затворов вроде IR2110 сами нагрузку не коммутируют — они быстро заряжают и разряжают затворы силовых MOSFET и IGBT; как устроены такие ключи, разобрано в статье «MOSFET и IGBT». Драйверы индикаторов берут на себя динамическую индикацию: микроконтроллер только записывает цифры, а развёртку и ток сегментов держит микросхема — подробнее в статье «Семисегментные индикаторы».

Что смотреть в даташите драйвера

На примере даташита L293D Texas Instruments:

Строка даташита	Что означает
Supply voltage V_CC1, V_CC2	раздельное питание логики (около 5 В) и нагрузки (до 36 В)
Continuous и peak output current	длительный ток канала и допустимый короткий импульс, например при пуске двигателя
High- и low-level output voltage	сколько напряжения теряется на верхнем и нижнем ключе при заданном токе
High-level input voltage	с какого напряжения вход видит единицу — важно для микроконтроллера на 3,3 В
Output clamp voltage	есть ли защитные диоды для индуктивной нагрузки
Thermal resistance	перегрев кристалла на ватт потерь — с ним считают, какой ток драйвер выдержит без перегрева

Потери на ключах, а значит и нагрев, определяются падением напряжения, а не только током: биполярный мост теряет вольты, а мост на MOSFET — доли вольта при том же токе.

Готовятся к публикации

L298 и модуль L298N

Частые вопросы

Какой драйвер выбрать для маленького двигателя от Arduino?

Для двух коллекторных двигателей или одного биполярного шагового с током до 0,6 А подойдёт L293D: два H-моста, встроенные защитные диоды, управление логикой 5 и 3,3 В. Но на биполярных ключах он теряет 2,6–3,6 В, поэтому двигатель на 6 В от питания 6 В получит заметно меньше. Для больших токов и малых потерь берут драйверы на MOSFET.

Чем H-мост отличается от сборки ключей вроде ULN2003?

Сборка ключей только замыкает нагрузку на общий провод — ток течёт в одну сторону. H-мост из двух полумостов подаёт на нагрузку напряжение любой полярности, поэтому меняет направление вращения коллекторного двигателя и нужен для биполярного шагового. Однополярный шаговый двигатель и реле можно включать ключами.

Почему драйвер двигателя греется?

Из-за падения напряжения на ключах: мощность потерь равна току, умноженному на это падение. У L293D при 0,6 А на мосту теряется около 2,6 В типично — это примерно 1,6 Вт на один двигатель. Тепло отводят через выводы общего провода в медь платы или на радиатор.