PWM, H köprüsü ve regülatör: motor kontrolünün üç anahtarı

Bu derste tek bir motorun etrafındaki üç soruya cevap veriyoruz: motorun hızını nasıl ayarlıyoruz, yönünü nasıl değiştiriyoruz ve tek bir pilden nasıl birkaç farklı voltaj çıkarıyoruz? Bu üç cevap, sürüş modüllerinde bağlayacağın her kablonun nedenidir. Bugün kod yazmıyoruz; deniyor, tahmin ediyor ve gözlüyoruz.

Kanca: motor neden bazen yavaş, bazen hızlı? (10 dk)

Videoyu izledikten sonra bir dakika düşün. Motor hep aynı motordu, pil hep aynı pildi. Peki bir seferinde ağır ağır, öbür seferinde son sürat döndü. Aradaki fark nerede saklı?

Sınıfça iki soruyu konuşalım:

• Bir lamba düğmesinin sadece iki hali vardır: açık ve kapalı. Motoru "yarım hızda" döndürmek istesen, elinde yalnızca aç ve kapa varken bunu nasıl yaparsın?
• Videonun sonunda kart neden dumanlandı sence? Bir cihaza "fazla" bir şey vermek ne demek olabilir?

Bu iki soruyu aklında tut. İkisinin de cevabı bu dersin içinde.

Ana etkinlik: elinle fener deneyi (20 dk)

Şimdi ışıkla küçük bir deney yapacağız. Sınıfı gruplara ayır; her grupta bir el feneri ya da telefon feneri olsun.

Önce tahmin et. Feneri duvara tut ve elinle önünü kapatıp açmayı çok yavaş yaparsan duvarda ne görürsün? Ya elini gittikçe hızlandırırsan? Tahminini bir kağıda yaz. Henüz denemeden yazman önemli; sonra karşılaştıracağız.

Şimdi dene. Feneri duvara doğrult ve elinle önünü kapat, aç, kapat, aç. Başta yavaş yap: duvarda ışık açıkça yanıp söner, karanlık ve aydınlık birbirini kovalar. Sonra elini hızlandır. Daha da hızlandır, elin bulanıklaşana kadar.

Gözle ve konuş. Elin belli bir hızı geçince ne oldu? Duvardaki ışık artık "yanıp sönen" olmaktan çıkıp tek düze, loş bir aydınlığa döndü, değil mi? Yani gözün her tek aç-kapayı ayrı ayrı göremedi; hepsinin ortalamasını gördü.

Bir de oranla oyna. Elini hızlı tutmaya devam et ama bu sefer eli daha çok "kapalı" tarafta gezdir, ışığın önü çoğunlukla kapalı kalsın. Duvar nasıl göründü? Şimdi tersini yap, eli çoğunlukla "açık" tarafta tut. Duvar ilkinde daha loş, ikincisinde daha parlak görünür. Işığı hiç kısmadın; sadece açık kaldığı süreyi değiştirdin.

Grubunla tek cümlede topla: ışığın parlaklığını, ışığı kısarak değil, ne yaparak değiştirdik?

Kavram köprüsü: üç anahtarın adları (7 dk)

Az önce elinle yaptığın şeyin bir adı var, ve motoru süren kart tam olarak bunu yapıyor.

PWM: hızı ayaran anahtar. Robotun beyni olan ESP32 kartının pinleri iki şey söyleyebilir: açık (3.3 volt) ya da kapalı (0 volt). Arada bir değer yok. Peki motoru yarım hızda nasıl döndürüyor? Tıpkı senin elin gibi: pini saniyede yüzlerce kez açıp kapatarak. Buna PWM denir; darbe genişliği ayarı diye Türkçeleştirebiliriz. Motor bu kadar hızlı değişimi tek tek hissedemez, senin gözünün ışığı ortalaması gibi, akımın ortalamasını hisseder. Zamanın yarısında açık kalan sinyal motora yarım güç gibi gelir; hep açık tam güç, hep kapalı durmak demektir. Fenerde eli çoğunlukla açık tutunca duvarın parlaması, motorda sinyali çoğunlukla açık tutunca hızın artmasıyla aynı fikirdir.

H köprüsü: yönü çeviren anahtar. Bir DC motorun iki teli vardır. Artıyı bir tele, eksiyi öbürüne verirsen motor bir yöne döner; telleri ters takarsan ters yöne döner. Robot giderken sen elinle tel değiştiremeyeceğine göre bu işi elektronik yapmalı. H köprüsü, motorun etrafına yerleştirilmiş dört elektronik anahtardan oluşur; çizimi H harfine benzediği için bu adı almış. Hangi iki anahtarın kapandığına göre akım motordan bir yönde ya da öbür yönde geçer, motor ileri ya da geri döner. Bizim BTS7960 sürücümüz tam olarak budur: içinde güçlü bir H köprüsü olan ve PWM ile hızı da ayarlayabilen bir kart. Kartta bunun karşılığı iki sinyal girişidir. RPWM girişine sinyal verilirse motor bir yöne, LPWM girişine verilirse öbür yöne döner. İkisine aynı anda sinyal verilmez; bu, dört anahtarı birden kapatıp kısa devre yaratmak olur ve karta zarar verir. Sürüş modüllerinde göreceksin: biri sinyal alırken öbürü hep sıfırdır.

Regülatör: voltajı ayıran anahtar. Videoda kartın neden dumanlandığını hatırla. Pilimiz 12 volt civarı verir, ama ESP32 kartı bu kadarını kaldıramaz; beslemesi 5 volt ister. 12 voltu doğrudan ona verirsen bozulur, tıpkı videodaki gibi. Regülatör (bizde XL4005), giren yüksek voltajı düşürüp sabit ve güvenli bir değere getiren küçük bir devredir. Robotta akış şöyle: pil, 12 volt ile motor sürücülerini doğrudan besler; aynı 12 volt regülatöre de girer, regülatör 5 volt üretir ve ESP32 bu 5 volt ile çalışır. ESP32'nin kendi pinleri ise 3.3 volt konuşur. Yani robotun içinde üç ayrı seviye bir arada yaşar.

Aklında tutacağın tek kural şu: 12 volt yalnızca B+ girişine ve regülatör girişine gider; ESP32'ye giden tek besleme regülatörün 5 volt çıkışıdır. Bu kural, videodaki dumanı senin robotunda önleyen şeydir.

Uygulama: kart avı ve eşleştirme oyunu (15 dk)

Şimdi kavramları gerçek kartların üstünde arayacağız.

Bölüm 1: Kart avı. Grubuna bir BTS7960 sürücü kartı verildi. Kartı eline al ve üstündeki yazıları bul. Bir kenarda beyinle konuşma tarafı vardır: RPWM, LPWM, R_EN, L_EN, VCC, GND. Öbür kenarda kas gücü tarafı vardır: B+, B-, M+, M-. Parmağınla göster ve gruba sor: hangi kenar sinyal tarafı, hangi kenar güç tarafı? RPWM ile LPWM'i bulduğunda, "işte motorun yönünü bu ikisi çeviriyor" de. Sonra XL4005 regülatör kartını al: giriş uçlarını ve çıkış uçlarını ayırt edebiliyor musun? Bugün hiçbir kablo takmıyorsun, sadece tanışıyorsun; ama sürüş modüllerinde tam bu uçlara kablo bağlayacaksın.

Bölüm 2: Hangi seviye nereye? Öğretmenin üstünde voltaj yazan kartlar (12V, 5V, 3.3V) ve gidecekleri yerleri yazan kartlar (sürücünün B+ girişi, ESP32'nin besleme pini, sinyal hattı, regülatörün girişi) dağıtır. Grupça her voltajı doğru yere eşleştir. Dikkat: 12V iki farklı yere birden gidebilir, hangileri? 3.3V hangi işe yarıyordu? Eşleştirmeni bitirince yukarıdaki tabloyla kontrol et. Yanlış eşleştirdiğin bir kart varsa, "bunu böyle bağlasaydım ne olurdu?" sorusunu grupça konuş.

Ders sonu kontrolü (7 dk)

Kendi kendini yokla. Aşağıdakilerin hepsini bir arkadaşına anlatabiliyor musun?

• PWM'in "çok hızlı aç-kapa ile ortalama güç ayarlamak" olduğunu fener örneğiyle anlatabiliyorum.
• H köprüsünün motorun yönünü nasıl değiştirdiğini biliyorum ve RPWM ile LPWM'e neden aynı anda sinyal verilmediğini söyleyebiliyorum.
• Robottaki üç voltaj seviyesini ve her birinin nerede yaşadığını sayabiliyorum.
• "12 volt ESP32'ye asla doğrudan gitmez" kuralının nedenini açıklayabiliyorum.

Günlük hayat bağı: Evdeki ışık kısma düğmesi (dimmer), telefonun ekran parlaklığı ve fanların hız kademeleri de aynı PWM fikrini kullanır: gücü kısmak yerine çok hızlı aç-kapa yapıp ortalamayı değiştirirler. Bir dahaki sefere telefon parlaklığını kıstığında, aslında ekranın saniyede yüzlerce kez yanıp söndüğünü hatırla.

Erken bitirdiysen (ek görev)

1. Oranı tahmin et. Fenerde eli zamanın dörtte üçünde açık, dörtte birinde kapalı tutsan duvar ne kadar parlak görünürdü? Bunu motora çevir: sinyal zamanın dörtte üçünde açık olsa motor kabaca ne kadar hızda döner? Cevabını bir cümleyle yaz.
2. Kısa devre dedektifi. RPWM ve LPWM'e aynı anda sinyal verilirse H köprüsündeki dört anahtardan hangileri aynı anda açık kalır ve akım neden motora hiç uğramadan doğrudan artıdan eksiye akar? Kağıda H harfini çiz, dört köşesine anahtar koy ve akımın gittiği yolu okla göster.