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안녕하세요.
이번 시간에는 원격 콘트롤러의 출력신호를 받아, DC 모터를 구동할 수 있도록 전류를 증폭해주는 H-bridge 회로를 설명하겠습니다. 하나의 H-bridge 회로는, 하나의 모터를 시계 회전방향(CW)과 반 시계 회전방향(CCW)으로 구동할 수 있는 회로만을 가지고 있으므로, 좌/우 회전용 두 개의 모터를 가지고 있는 이동로봇에는 두 개의 H-bridge 회로가 필요하게 됩니다.
H-bridge 회로와 모터 사이의 배선에는 예의 PG를 사용하여 번거로운 배선작업을 간단하게 만들었습니다. 또 필자는 하드웨어나 소프트웨어 작업에서 모듈화를 선호하므로... 설계한 H-bridge 회로에는 (다른 회로나 마이컴의 도움없이) 자체적으로 회로동작을 시험할 수 있는 스위치(버튼)가 포함되어 있습니다. 모듈화의 덕분으로 프로그램 작업에 돌입하기 전에 전기 하드웨어부와 기구부의 동작시험을 마칠 수 있게되어... 홀가분한 기분으로 소프트웨어에만 전념할 수 있는 환경이 조성되었습니다. ^^
H-bridge 회로는 스위치들과 모터가 배치되어 있는 모습이 "H"라는 단어와 비슷하다고 해서 붙여진 이름입니다. 회로동작의 목표는 전원의 극성을 그대로 두면서, 모터에 흐르는 전류의 방향을 바꾸어 주도록 만드는 것입니다. 그림에 나타난 동작원리를 참조하면, ①의 경우는 4 개의 스위치가 모두 OFF되어 있으므로 모터에는 전류가 흐르지 않습니다. (모터는 정지해 있거나 관성의 힘만으로 회전하는 상태) ②의 경우는 S1, S3의 대각선 스위치가 ON 되어 모터에는 좌에서 우로 전류가 흐릅니다. ③의 경우는 S2, S4의 대각선 스위치가 ON 되어 모터에는 우에서 좌로 전류가 흐릅니다. 따라서 모터에 흐르는 전류상태가 ②의 경우와 반대이므로, 모터의 회전방향은 ②와 반대가 됩니다. ^^
문제는 H-bridge 회로에 사용되는 스위치의 종류입니다. 가장 간단하고 깨끗한 해결책으로는 (기계적 접점을 가진) 릴레이를 사용하는 것이지만, 크기가 커지고 응답이 느리고 소비전류를 많이 요구하므로 잘 사용되지 않습니다. 그 대신에 대용량 트랜지스터나 MOS FET, SCR와 같은 반도체 스위치가 많이 사용됩니다. 필자는 스위칭 대용량 트랜지스터인 2SA1010과 2SC2335로 회로를 설계하였습니다. 스위치로 사용하는 트랜지스터 기종으로... 허용 전류가 충분한 대용량 트랜지스터면 아무 것이나 충분하리라고 생각하기 쉽지만, 회로에 공급되는 전압이 3V 밖에 되지 않아서, 트랜지스터 ON시 나타나는 CE간 순방향 전압강하가 의외로 모터동작에 영향을 미치게 됩니다. 보통의 소형 트랜지스터에서 CE간 순방향 전압강하는 약 0.2V로 무시할 수 있지만 대용량 트랜지스터가 되면 이 값(CE간 순방향 전압강하)이 상당한 크기로 되어, 모터에 공급하는 전압을 약 1V 이상 깍아먹어 버리는 경우가 종종 발생합니다. 이렇게 되면 모터가 발생하는 토크에 큰 차이가 생기므로, 이를 방지하기 위해 순방향 전압강하가 적은 "스위칭 대용량 트랜지스터"를 채택하였습니다.
필자는 여러 경험에서 "모터 드라이브"라고 불리는 전류증폭부 회로의 설계와 제작, 동작시험이 까다롭다는 것을 알고 있습니다. 만일 모터가 좀 더 커진다면, 이 부분만 해도 설계와 제작에 상당한 공을 들여야만 합니다. 이런 이유로 모터용 드라이브 IC가 많이 시판되고 있는 것이지요... 그러나 처음부터 IC를 사용하게 되면 회로동작의 원리를 이해할 수 있는 좋은 기회와 제작의 즐거움을 잃어버리게 되기 때문에... 이번에는 직접 회로를 설계하고 시험하면서 제작하였습니다. ^^ 다행히도 큰 탈 없이 훌륭히 작동합니다. 언제나 전원부와 모터 파워부의 회로는 간단하면서도 함정이 많아 조심에 조심을 거듭해서 설계하고 시험하게 되지만, 무사히 작동하게 되면 그만큼 가슴 뿌듯해 지는 희열을 느낍니다.
설계한 H-bridge 회로에서 주안점을 둔 점은... 부 신호로 (0V) 회로를 동작시킬 수 있도록 한 부분입니다. 이유는 다른 회로나 모듈듈을 연결할 때 전원전압이 서로다른 경우를 대비하기 위해서 입니다. 실제로 마이컴 회로는 5V를 사용하므로 H-bridge 회로의 3V와 대비됩니다. 부 신호 동작회로의 결과 신호단자를 0V로 만들면 (GND에 연결) 동작하므로, 다른 회로와는 GND만 공유하면 간단히 동작시킬 수 있게 되었고, 전원전압의 차이는 고려할 필요가 없게 되었습니다. 그 결과 동작 시험용 스위치도 쉽게 넣을 수 있어, 일종의 보너스를 덤으로 얻게 되었습니다. 회로에서 D1-D4는 플라이휠 다이오드로, 트랜지스터 동작이 ON에서 OFF로 바뀌었을 때 모터에서 발생하는 역전류가 도피할 수 있는 퇴로를 확보해 주는 역할을 합니다. 이 플라이휠 다이오드가 없으면 모터에서 발생하는 역전류가 장 시간에 걸쳐 트랜지스터를 야금야금 파괴하여... 마침내는 트랜지스터가 전혀 동작하지 않게되고 맙니다.
H-bridge 회로를 사용할 때 주의할 점은, S1, S3과 S2, S4를 동시에 ON시키면 (전원이 쇼트가 되므로) 안된다는 점입니다. 즉 동작점검용 택-스위치를 두 개 동시에 누르면 안됩니다. 마찬가지로 원격 콘트롤러에서도 모터의 CW와 CCW 신호가 동시에 LOW가 되면 (출력되면) 절대로 안됩니다. 이 문제점은 하드웨어를 보강하여 방지할 수도 있지만, H-bridge 회로전체가 복잡해지므로 원격 콘트롤러에서 CW, CCW 신호가 동시에 LOW로 출력되지 않도록, 소프트웨어에서 방지하도록 할 예정입니다.
