De klassieke fischertechnik elektronicamodules worden wel eens liefkozend 'Silberlingen' genoemd. Er werd echter door fischertechnik nooit een volledige H-brug ‘Silberling’ uitgebracht. Het regelen van de draairichting van motoren wordt in de bouwontwerpen doorgaans met een relaismodule opgelost. Relais hebben het grote voordeel dat de geschakelde contacten volledig galvanisch gescheiden zijn van de regelelektronica. Ze zijn echter luidruchtig, aan slijtage onderhevig en kunnen niet gebruikt worden om de draaisnelheid van motoren te regelen.
Een H-Brigde in een ‘Silberlingen’-compatible behuizing zou als vervanging van een relaismodule voor knutselaars (zoals ik), die het leuk vinden de oude elektronicamodules te gebruiken, zeer bruikbaar zijn. Helemaal als het mogelijk is een externe DC-spanning aan te sluiten voor hogere motorvermogens, en motoren met een laag vermogen direct uit de, via de doorlus-strips aan de zijkanten van deze 'Silberlingen' aangeboden, standaard voedingsspanning te kunnen voeden. Ook zou het prettig zijn als voor de stuurgangssignalen, behalve het 9 volt ‘Silberlingen’-spanningsniveau, ook het 5 volt TTL niveau zou kunnen worden gebruikt. De module zou dan immers niet alleen met alle elektronicamodules en controllers kunnen worden gebruikt, maar ook met andere populaire microcontrollerboards waarbij 5 volt (TTL) signaalniveaus gangbaarder zijn.
Om motoren, qua draairichting, te kunnen aansturen paste ik in mijn ‘Zauberling’ (een module met dezelfde vormfactor en spanningsniveaus als de traditionele ‘Silberlingen’) de TB6612FNG-module toe. Dit kleine moduleboard bevat twee H-Bruggen en kan daardoor desgewenst twee gelijkstroommotoren tegelijk met een constante stroom van 1,2 A (3,2 A piek) aansturen. De motorspanning mag hierbij maximaal 15 volt bedragen. Per H-Brug kunnen twee ingangssignalen (IN1 en IN2) worden gebruikt om de motor in een van de vier functiemodi te besturen: Rechtsom, linksom, remmen of uitlopen. De STBY-pin kan, ongeacht de met IN1 en IN2 ingestelde draairichting, worden gebruikt om de motor aan en uit te schakelen. Een variant van deze chip, waarvan de aangeboden motorspanning echter slechts maximaal 11 volt mag bedragen, is de DRV8833. Van boards waarop deze chip wordt gebruikt zijn meerdere uitvoeringen verkijgbaar. Pincompatible varianten van deze boards met de DRV8833 en TB6612 chip zijn te zien op de afbeelding hieronder.
Een motor is een z.g. inductieve belasting. Zodra de aangelegde motorstroom wegvalt, genereert hij kortstondig een tegengestelde stroom. Om de halfgeleiders van de sturende uitgang te beschermen is een z.g. vrijloop-diode (Engels: ‘flyback diode’) nodig. Omdat beide modules per H-Brug vier vermogens-MOSFETS bevatten, waarvan de (substraat-)diodes kunnen fungeren als vrijloop-diodes, is een dergelijke extra bescherming bij gebruik van deze H-Brug IC’s niet nodig.
Naast het verschil in maximale motorspanning is er ook nog een ander verschil tussen beide chips. De TB6612FNG chip beschikt voor iedere H-Bridge over een eigen PWM ingang waarmee van de twee motoruitgangen (A en B) afzonderlijk de draaisnelheid kan worden geregeld via een PWM-ingangssignaal. Bij de DRV8833 zal zo'n PWM signaal op respectievelijk IN1 of IN2 moeten worden aangeboden terwijl de andere ingang LOW wordt gehouden. Het schakelschema voor de DRV8833 module, met de levelshifters voor 9 volt ingangssignalen, is hieronder getekend. Op de achterzijde van de module is een aansluiting voor een optionele externe voedingsspanning gemaakt (afbeelding hiernaast). Er is direct voorzien in twee JST-connectoren zodat deze voedingsspanning ook eenvoudig kan worden doorgelust met korte snoertjes. De Schottkydioden D6 en D7 verzorgen hierbij een automatische keuze tussen de beschikbare verzorgingsspanningen.
De begrenzing van maximaal 11 volt motorspanning is voor de normale fischertechnik motoren geen probleem. Bij deze motoren blijft doorgaans ook de stroom (veel) kleiner dan een half Ampère. Bij de Zauberling heb ik daardoor nog nooit ernstige warmteontwikkeling waargenomen. Desondanks ontwierp ik de printplaat zodanig dat een klein koelelement kan worden geplaatst. Deze steekt na montage dan door het front heen.
De genoemde boards bevatten twee complete H-bridges en zijn slechts 2 bij 2 cm groot. Bij gebruik van printpennen voor de diverse in- en uitgangen zou het gemakkelijk mogelijk zijn twee van dergelijke boards in één ‘Silberling’ te monteren. Om het overzicht op het beperkte front-oppervlak van de ‘Silberling’-behuizing te behouden, ligt het echter meer voor de hand de zelfbouwmodule uit te rusten met éen H-Bridge board. Ik koos voor de eerder beschreven PTN2-01 soldeerbussen zodat ook de traditionele fischertechnik stekkers kunnen worden gebruikt.
De getoonde dubbele H-Bridge module voldoet ruimschoots aan de verwachtingen. Door de schakellogica van de stuuringangen van de gebruikte DRV8833 chip is het echter niet mogelijk beide uitgangen van een H-Bridge tegelijk stroomleverend te maken. De H-Bridge functie wordt uitgeschakeld voor een ongeremde uitloop van de motor als beide ingangen IN1 en IN2 LOW zijn. Als IN1 en IN2 tegelijk HIGH worden gemaakt, worden beide uitgangen, en daarmee de motorwikkeling, kortgesloten om de motor te remmen. Deze methode van remmen, de ‘Snelstop’, wordt reeds beschreven in de Hobby3 en Hobby4 boeken van fischertechnik. Door deze rem-functionaliteit volgen de uitgangsniveau’s echter niet zuiver alle niveau’s van de betreffende sturende ingang. De twee uitgangen van elke H-Brug zijn daardoor niet compleet onafhankelijk te gebruiken voor gebruikers die slechts met één stroomrichting hoeven te worden aangestuurd. Met de eerder beschreven drivermodule, met een eigen halfgeleider per uitgang, was dit vanzelfsprekend wel mogelijk.
De experimenten leverden een goed bruikbare module op. Maar om een hogere motorspanning te kunnen gebruiken, en de uitgangen ook afzonderlijk te kunnen gebruiken als driveruitgangen, ontwierp en bouwde ik nog een tweede H-Brugmodule met de L298N chip.