Motorsteuerung mit dem IC 4093                  


 Beitrag zum Schaltungswettbewerb 2013 von Wolfgang Schmidt                      
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Ziel dieses Projektes ist die Ansteuerung eines kleinen Motors, wie er z. B. im Modellbau verwendet wird, mittels Tasten. Dabei soll der Motor ein- und ausgeschaltet sowie die Drehrichtung geändert werden. Hierfür sind zwei RS-Flip-Flops erforderlich, die mit dem 4093 realisiert werden können.



Es ist jeweils ein Flip-Flop für Ein- /Ausschalten und für Rechts- /Linkslauf vorgesehen. Für die Umschaltung rechts/links wird der Motor idealerweise direkt an den beiden Ausgängen des Flip-Flop angeschlossen. Da der Ausgangsstrom eines einzelnen Gatters zu klein für den Betrieb des Motors ist, wurden jeweils drei Gatter parallel geschaltet. Laut Datenblatt (von National Semiconductor) liefert der 4093 bei einer Betriebsspannung von 15 V typisch 8,8 mA pro Gatter, d. h. es stehen ca. 26 mA zur Verfügung. Der im Musteraufbau verwendete Motor ist ein 12-V-Typ und zieht im Leerlauf 18 mA. Bei Belastung steigt der Strom natürlich an, die 26 mA haben sich aber als ausreichend erwiesen.

Die Umschaltung zwischen Rechtslauf und Linkslauf erfolgt mit den Tasten S4 (L) und S5 (R). Durch den Kondensator C6 parallel zu S5 wird das Flip-Flop im Einschaltmoment standardmäßig auf Rechtslauf gesetzt.

Die beiden verbleibenden Gatter bilden ein weiteres RS-Flip-Flop, welches für das Ein- und Ausschalten der Betriebsspannung zuständig ist. Die Betriebsspannung wird mit dem Transistor VT1 geschaltet, der wiederum von VT2 gesteuert wird.

Zum Einschalten des Gerätes wird mit der Taste S1 der Transistor VT1 überbrückt, so dass die beiden Schaltkreise ihre Betriebsspannung erhalten. Das Flip-Flop aus D1C und D1D wird durch den Kondensator C5 im Einschaltmoment gesetzt (Pin 10 auf H-Pegel). Dadurch wird VT2 und folglich auch VT1 durchgesteuert, und das Gerät bleibt eingeschaltet, wenn die Taste wieder geöffnet wird..

Alternativ kann auch mit der Taste S3 eingeschaltet werden. Durch Schließen von S3 wird VT1 geöffnet, alles weitere erfolgt wie beschrieben. Diese Variante hat den Vorteil, dass jetzt alle Tasten gegen Masse schalten. So können die Tasten durch Transistoren ersetzt werden, die z. B. von einem Mikrocontroller angesteuert werden.

Durch kurzes Schließen der Taste S2 wird das Flip-Flop zurückgesetzt, VT2 und VT1 gesperrt und die Betriebsspannung damit ausgeschaltet.

Um Motoren mit höherer Leistung zu betreiben, muss die Ansteuerung durch eine Endstufe ergänzt werden, realisiert durch eine Brückenschaltung aus vier Transistoren (zwei Komplementärpaare). Die parallel geschalteten Gatter im Flip-Flop können dann entfallen, so dass ein Schaltkreis 4093 ausreicht.



Bei dieser Schaltung wurde auch die Tastensteuerung vereinfacht. Die Einschalttaste entfällt, das Einschalten erfolgt mit einer der beiden Richtungstasten. Damit kann beim Einschalten gleich die gewünschte Drehrichtung gewählt werden, eine Vorzugsrichtung gibt es nicht.

Beim Betätigen einer der Tasten S2 oder S3 wird der Transistor VT1 (über VD1 oder VD2) durchgesteuert und das Gerät eingeschaltet. Zusätzlich wird das Richtungs-Flip-Flop in die gewünschte Stellung gebracht. Die Dioden VD1...4 dienen zur Entkopplung.

Auch diese Variante der Motorsteuerung habe ich zunächst auf einem Labor-Steckbrett aufgebaut, um die Schaltung zu Testen und zu optimieren.



Schließlich habe ich auch eine Leiterplatte (einlagig) entworfen. Die Abmessungen betragen 40 mm x 68 mm.





(Beachte: Layoutzeichnung und Bestückungszeichnung sind mit Blick auf Bestückungsseite dargestellt.)

Das Layout ist so gestaltet, dass die Schaltung auch auf einer Lochrasterplatte mit 2,54-mm-Raster aufgebaut werden kann, d. h. sämtliche Pads und Leitungen des Layouts liegen im entsprechenden Raster.

Das Foto zeigt den Musteraufbau auf einer geätzten Leiterplatte.



Das Leiterplattenlayout kann PDF-Datei im Maßstab 1:1 heruntergeladen und als Belichtungsvorlage verwendet werden.

Download: 1401_Motorsteuerung_Layout.pdf



Nachtrag:

Nachdem die Leiterplatte bereits fertig aufgebaut war, hatte ich noch eine Idee für eine Ergänzung der vorgestellten Schaltung: Ein Überlastschutz, durch den das Gerät abgeschaltet wird, wenn der Motorstrom zu groß wird.



Hierzu wird die Masseverbindung der beiden Endstufen aufgetrennt. Die Kollektoren von VT5 und VT6 werden über einen gemeinsamen Widerstand R10 mit Masse verbunden. Der Spannungsabfall an diesem Widerstand ist proportional zum Motorstrom und wird zur Überwachung herangezogen. Sobald die Spannung etwa 0,7 V erreicht, wird der Transistor VT7 durchgesteuert, das Betriebsspannungs-Flip-Flop zurückgesetzt und damit das Gerät ausgeschaltet.

Das RC-Glied R11/C5 dient zur Verzögerung des Ausschaltvorganges. Diese ist erforderlich, weil sowohl beim Einschalten des Motors als auch beim Umschalten der Drehrichtung kurzzeitig ein höherer Strom fließt, wodurch die Betriebsspannung sofort wieder abgeschaltet werden würde.

Der Widerstand R10 ist entsprechend dem gewünschten Abschaltstrom zu dimensionieren.

Das Bild zeigt den Laboraufbau für diese Ergänzung.



 

 


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