Wysokoprądowy mostek-H do silnika 24V 250W

Szanowni Forumowicze!

Jako, że wszystkie moje poprzednie projekty elektroniczne pobierały niewielkie prądy (co najwyżej 1A), nie mam doświadczenia w projektowaniu układów wysokiej mocy. Na domiar złego po przekopaniu Elektrody, Diody i Google zauważyłem, że sterowanie silnikiem DC z użyciem mostka na MOSFET-ach sprawia dużo problemów. Zwłaszcza jeśli chodzi o sterowanie przy pomocy 4 tranzystorów MOSFET N. Próbując wyciągnąć jakiś wspólny mianownik, popełniłem taki szkic:



Jak widać na załączonym obrazku, jest to mostek H bazowany na MOSFET-ach typu P z serii IRF4905PBF oraz typu N z serii IRL3705PBF.

Projektując ten mostek chciałbym sprostać wymaganiom prądowym silnika (prąd ciągły 14A w porywach pewnie do ok. 35A - nie mam jeszcze tego silnika, więc to na razie wróżby z fusów). Martwi mnie jednak trafność doboru tranzystorów i diod. Przyznam się szczerze, że czuję się na gruncie wysokich prądów niepewnie. Proszę o wypowiedzenie się na ten temat.

Docelowo mostek ma sterować silnikiem zapożyczonym z hulajnogi elektrycznej (MY1016) na napięcie 24V i o mocy 250W. Całość ma być napędem głównym robota kosiarki, a zatem przewiduję przeciążenia ze względu na nierówności terenu i spory ciężar urządzenia.

Dodatkowo chciałbym zapytać w jaki sposób powinienem wykonać ścieżki na płytce, zwłaszcza te, przez które będzie płynęło te parędziesiąt amperów.

Z góry dziękuję za wszelką pomoc

DonQuijote88

P.S. Starałem się dobrać dział, jednakże jeśli nie trafny był mój wybór to bardzo proszę o przeniesienie tematu. Liczę także na zrozumienie dla mojego problemu, wprawdzie mostek H był wałkowany wielokrotnie, ale w przypadku dużych prądów nie można sobie ułatwić życia driverami.

Widze kilka problemów:

1.Nie sprawdzałem dokumentacji mosfetów, ale większość ma napięcia Vgs +/-20V. U ciebie masz napięcie 24V i w żaden sposób nie kontrolujesz co jest na gate, więc zaraz ci pójdzie mosfet. Użyj diody zenera ok 12-16V która będzie ograniczać Vgs

2.Nie wysterujesz dobrze tych mosfetów skoro masz przy bramce rezystor 1k do VCC i 1k do GND. Będzie moment, kiedy wszystkie mosfety będą w połowie otwarte i nastąpi apokalipsa twojego układu, a w najlepszym wypadku będzie się bardzo grzał.. Zdecydowanie lepiej jest oddzielnie sterować wszystkimi czterema mosfetami i w razie przełączania kierunku najpierw wyłączyć wszystkie mosfety a dopiero potem włączyć inny układ po np. 1ms.

3.Obawiam się, że pojedyńcze mosfety to będzie za mało dla takich prądów. Raczej myśl o dwóch równolegle z każdej strony i ew. kawałek radiatora.

4.ścieżki wykonujesz normalnie (najlepiej mieć większą ilość miedzi na płytce) i do tego obficie je pocynuj (tak przynajmniej na mm) no i oczywiście ścieżki te muszą być jak najkrótsze i nie zapomnij o odpowiednich złączach (lub najlepiej lutuj przewody bezpośrednio do płytki)

Dziękuję za zaangażowanie.

Ponieważ trwają u mnie przygotowania do wieczerzy wigilijnej to nie jestem teraz w stanie przerobić schematu wg Twoich wskazówek.

Ad.1. Rozumiem, że tą diodą Zenera mam zmniejszyć napięcie podawane na bramkę do tych 12-16V? Jeśli się mylę to proszę mnie poprawić.

Ad.2. Problem jednoczesnego włączenia wszystkich tranzystorów będę się starał załatwić programowo (mostek sterowany będzie przez uC). Mam na myśli sterowanie PWM i ta chwilowa przerwa przy przełączaniu kierunku. Zresztą cały układ mechaniczny ma sporą bezwładność i nie ma konieczności precyzyjnego pozycjonowania, więc przerwa nawet rzędu 100ms nie zaszkodzi niczemu.

Ad.3. Rzeczywiście zastanawiałem się nad tym. W nowym zmodyfikowanym schemacie postaram się uwzględnić Twoje sugestie.

A może sterować taką "baterią" MOSFET-ów przy użyciu drivera np TC429 (chyba trochę słaby) lub TC4420?

Co do ostatniego punktu nie mam spostrzeżeń. Zapewne więcej wyjdzie przy projektowaniu płytki pod gotowy schemat.
A na razie życzę Wesołych Świąt. Odezwę się wkrótce ze zmodyfikowanym schematem. Dzięki wielkie!

Pozdrawiam,
DonQuijote88

Zastosowanie scalonych sterowników serii TC4XX jest bardzo dobrym pomysłem , z mojej strony uwaga dotycząca diod zabezpieczających , nie mogą to być diody prostowniczy tylko szybkie diody przełączające o prądzie pracy min. wartości prądu przełączania przez tranzystory

No to widzę, że się porywam z motyką na słońce... Gdzie ja znajdę szybkie diody o takiej wydajności prądowej...

Odnośnie pktu 2 - nie da się. Mikrokontroler startuje ładnych kilkadziesiąt ms, w trakcie których dym pojawi się w pokoju. Poza tym w trakcie programowania masz wyjścia uC w stanie wysokiej impedancji.

Z doświadczenia wiem że wszystko musi być totalnie zabezpieczone sprzętowo przed "wiszącymi" wyjściami uC

A tak swoją drogą, to z tego samego doświadczenia wiem, że projektowanie mostków H wymaga olbrzymiej wiedzy i doświadczenia - dlatego zdecydowanie lepiej wykorzystać gotowe, sprawdzone rozwiązania, zamiast smażyć kilka razy kilkanaście zł, w postaci prażonego krzemu...

Właśnie zabieram się za poprawianie tego schematu i po przeglądnięciu forów, dokumentacji i kart katalogowych zastanawiam sie czy nie lepiej byłoby użyć układów VNH3SP30 w konfiguracji półmostkowej. Jest tylko jedna niejasność. W karcie katalogowej układu napisano, że układ jest w stanie sterować prądem 30A, ale już nie napisano czy dotyczy to połowy mostka czy całego. Logicznie rzecz biorąc wydawać by się mogło że mowa jest o całości. Co o tym sądzicie?

W między czasie przyszedł mi do głowy pomysł jak poradzić sobie z obciążeniem prądowym, gdy na silnik przypada dwa mostki. Zamiast stosować konfigurację półmostkową (mógłby się grzać jeden układ pod czas obrotów w jedną stronę, a drugi być chłodny) stwierdziłem, że korzystniej będzie połączyć układy w szereg.

Pod wpływem powyżej opisanych przemyśleń stworzyłem na podstawie:
- dokumentacji układu VNH3SP30
- układu Motor Driver 9A VNH3SP30 wykonanego przez firmę POLOLU (BTW horrendalna cena!)
stworzyłem taki oto schemat.
Teoretycznie powinno to wytrzymać co najmniej 60A (typowo wg producenta do 90A) w impulsie. i prąd ciągły na poziomie 18A. A zatem to by mogło całkiem ładnie działać - teoretycznie. Schemat:


Niepokoi mnie jednak sprawa napięcia na stykach OUT. Czy będzie ono wynosiło 24V lub niewiele mniej? Druga sprawa to dobór tranzystorów Q1 i Q2 oraz diod D1 i D2. Według POLOLU działają. Jednak trochę się obawiam, że SEM samoindukcji może coś upalić proszę o wypowiedź na ten temat.

W razie gdyby schemat okazał się w miarę trafionym pomysłem pozostaje kwestia odprowadzenia ciepła z układów VNH3SP30 i tranzystorów. No i jeszcze projekt płytki. Ale to może później.

Według moich obliczeń mój robot napędzany dwoma takimi silnikami generującymi siłę ciągu około 560 N nie powinien mieć problemów z utykiem prowadzącym do poboru prądu zwarcia. Na śliskiej trawie może się okazać, że problemem będzie buksowanie kół podczas szybkiego startu lub hamowania. Mam zatem nadzieję, że te prądy zwarcia rzędu 80A, które zostały zmierzone przez, któregoś użytkownika diody (nie mogę odnaleźć postu) na takim samym silniku nie będą się pojawiały zbyt często.

Proszę o ustosunkowanie się do schematu. Wszystkie sugestie mile widziane zwłaszcza co do niepewnych punktów.

Z góry dzięki,
DonQuijote88

P.S. Jeśli ktoś jest zainteresowany to na PW mogę podać link do ciekawego sklepu z elementami robotyki nie tylko mostkami.

Ja bym wstawił stycznik do zmiany kierunku i jednego mosfeta do regulacji prędkości. Z jednym bez problemu można sobie poradzić. Budowa całego mostka jest nieekonomiczna przy takich prądach.

Wydaje mi się że te VNScośtam odlecą w kosmos - policz sobie straty ciepła jakie wystąpią i czy będziesz w stanie je odprowadzić! Wstawienie 2/3/4 scalaków zamiast jednego nie rozwiązuje problemu wydajności chłodzenia, a to główny problem przy takich mostkach.

Quote:

Ja bym wstawił stycznik do zmiany kierunku i jednego mosfeta do regulacji prędkości. Z jednym bez problemu można sobie poradzić. Budowa całego mostka jest nieekonomiczna przy takich prądach.

Mógłbyś to jakoś tak z grubsza zobrazować?

Mosfet typu N w typowej konfiguracji, stycznik który przełącza bieguny silnika.

http://www.elecfree.com/electronic/wp-content.../04/mcu-control-motor-speed-and-direction.jpg

I po co mi było tak kombinować. Rozwiązanie genialne w swojej prostocie. Grzeje się właściwie jedynie MOSFET. Ale niestety jest kilka pytań.

Biorąc pod uwagę prądy mogące wystąpić w układzie (do 80A) trzeba tu zmienić MOSFET-a na coś mocniejszego np. IRF2804PBF i diodę chyba też (BYV72/200 ??).

Kolejna sprawa to przekaźnik. Jaka jest przeciążalność przekaźników? Dobierać je na prąd nominalny, czy prąd maksymalny?

Jeśli ktoś ma jakieś sugestie co do w/w elementów to proszę się podzielić. Zwłaszcza, że znalezienie przekaźnika na te kilkadziesiąt amperów to ciężka sprawa. A może ja czegoś nie wiem.

Idąc za TME: AM3-24B, kosztuje 12zł. Może TME nie jest idealnym sklepem dla potrzeb robotyków amatorów, ale pokazuje że takie przekaźniki można kupić w rozsądnej cenie

Prąd maksymalny 80A w zupełności wystarczy. Chodzi jedynie o to żeby nie skleiły się zestyki. A nawet jeśli do tego dojdzie to tragedia wielka się nie stanie, dlatego nie musisz cudować jakoś specjalnie z przekaźnikiem i w programie zastrzec żeby nie był przełączany pod obciążeniem

Odnośnie mosfeta - pamiętaj, że wraz ze wzrostem prądu maksymalnego rośnie pojemność bramki. Ten który znalazłeś ma prąd maksymalny rzędu 1000A - czyli dużo za dużo. Pojemność bramki prawie 7nF - a jak szybko go nie przełączysz to wyślesz go do krainy prażonego krzemu.

Na Twoje potrzeby wystarczy moim zdaniem 20~30A ciągłego, o jak najmniejszej pojemności bramki. Ja bym się nie szczypał tylko zapakował tam BUZ-a 11 i dołożył mu solidnego chłodzenia, do tego dobrze zrobiony driver.

Pamiętaj że nawet 100000A mosfeta spalisz przez zbyt słaby driver, który nie przeładuje dostatecznie szybko bramki, a im większy Imax tym większa pojemność do sterowania (w przybliżeniu).

Dioda obleci, o ile nie kosztuje zbyt dużo Nie jest za szybka, ale powinna wystarczyć.

Quote:

Idąc za TME: AM3-24B, kosztuje 12zł.

Właśnie zanim napisałeś udało mi się znaleźć ten sam przekaźnik

Quote:

Ten który znalazłeś ma prąd maksymalny rzędu 1000A - czyli dużo za dużo.

No jasne, że dużo za dużo nie zauważyłem tego trzeciego zera... ale i tak za dużo.

Więc będzie BUZ11 zamiast IRF150. No i teraz pytanie czy sterowanie przy pomocy tranzystorów Q2N390X wystarczy czy trzeba coś mocniejszego. Jak na mój gust to powinno to żeby przełączyć BUZ11 w jakimś sensownym czasie to trzeba by było ok 1A na tą bramkę podać... Ale wtedy LM7812 będzie problemem... Może wtedy go zastąpić regulatorem L78S12CV?

Quote:

Dioda obleci, o ile nie kosztuje zbyt dużo Nie jest za szybka, ale powinna wystarczyć.

To odnośnie diody MBR1045 (2,29zł) czy BYV72/200(12,90zł!!)?

W zasadzie to dopiero teraz zobaczyłem że tamten schemat pasuje "prawie" do Twojego silnika, chodziło mi tylko o pokazanie zasady

Zrób dokładnie tak jak jest tam, z tym mosfetem i diodą. Jak nie kupisz tych tranzystorów bipolarnych, to możesz zastosować BC546/556 jako zamienniki, mosfeta też możesz dać innego.

A jak będzie się jarać, to wtedy zainwestujesz w droższe diody i będziemy kombinować z mosfetem.

Niestety każdy silnik zachowuje się inaczej i raczej trzeba się przyszykować na uszkodzenie takiego mostka w trakcie procesu tworzenia

A zatem do dzieła. Na początek spróbujemy z BUZ11 i diodką MBR1045 i tymi tranziakami. Zamówię więc części i coś spróbuję sklecić na razie na płytce stykowej. Trochę to potrwa, dam znać jak coś z tego będzie.

Szybka piłka:
- Zakupiłem silniki dzisiaj.
- Czekam na części elektroniczne z TME i tu pytanie czy przekaźnik FRA24-OF jest tylko włącznikiem czy może być przełącznikiem. Ze schematu wynika, że może też przełączać. Co myślicie?

Witam.
Jestem nowy (jak widać) na tym forum.Proszę o pomoc czy może mi ktoś podsunąć jakiś schemat mostka H który będzie pasował do siłownika w posiadaniu którego jestem
do wglądu
http://www.fotosik.pl/pokaz_obrazek/65863475e98d1968.html

siłownik jest na napięcie stałe 12-24 V max 3.00 A
w środku jako krańcówki są dwa wyłączniki typu microswitch

http://www.fotosik.pl/pokaz_obrazek/f3502fab9107c554.html

i chciałbym je wykorzystać do sterowania zmianą kierunków
proszę o odpowiedź.

Po pierwsze musisz się dowiedzieć jaki prąd maksymalny pobiera Twój siłownik, a konkretnie zmierzyć pobór prądu przy zatrzymanym wale silnika i nominalnym napięciu.
Po drugie określ jakim napięciem będziesz zasilał siłownik.
Po trzecie czy zamierzasz sterować prędkością tego siłownika czy ma to działać tylko na zasadzie otwarte zamknięte.

Dodano po 1 [godziny] 35 [minuty]:

Witam!

Po przydługiej przerwie spowodowanej po części sesją, a po drugiej części brakami finansowymi, wznawiam moją działalność w kierunku wykonania mostka jak w temacie. Postanowiłem ostatecznie oprzeć się na projekcie zasugerowanym przez McRancora:

Quote:

Mosfet typu N w typowej konfiguracji, stycznik który przełącza bieguny silnika.

http://www.elecfree.com/electronic/wp-content.../04/mcu-control-motor-speed-and-direction.jpg

Na podstawie tego projektu chciałbym sobie wykonać płytkę PCB. Schemat mam już właściwie gotowy, jednak chciałbym, żeby mu się przyjrzał ktoś bardziej doświadczony niż ja, zanim wyślę do zaprojektowania i wykonania PCB i się wygłupię
Tu schemat:



Jak widać na załączonym obrazku poczyniłem pewne zmiany:
1. tranzystory sterujące uzupełniłem transoptorami (będzie osobne zasilanie logiki, więc i masę muszę oddzielić).
2. drogi i trudno dostępny MOSFET IRF150 zastąpię na początek BUZ11 a jak nie da rady to IRF4104PBF.
3. diodę MBR1045 na schemacie zastąpiłem diodą MBR2545CT (MBR1045 będzie testowana na pierwszy ogień czy wytrzyma)

Proszę więc o wyrażenie swoich uwag na temat schematu i ewentualnie rad co udoskonalić.

Robiliśmy ostatnio sterownik robota z silnikami o mocy ok. 200W (24V) każdy i użyliśmy VNH3SP30. Na 2 mostki ustawione obok siebie mielismy 2 radiatory (po 1 z każdej strony płytki - 1 na obudowie, drugi od spodu). Bez chłodzenia aktywnego robiły się dość ciepłe, jak jeden był chłodzony wiatraczkiem, to był zimny (drugi był lekko ciepławy). Uważam, że na 250W silnik wystarczyłby prawdopodobnie jeden radiator taki jak najtańszy od karty graficznej, ale zawsze można wstawić 2. Największym niebezpieczeństwem jest wysoki prąd zwarcia silnika.

OldSkull mam kilka pytań:
1.Czy mógłbyś się podzielić schematem takiego mostka?
2.Jak poradziliście sobie z SEM samoindukcji?
3.Czy napięcie rzędu 24-28,8V nie sprawia problemów (2 akumulatory kwasowe połączone szeregowo), bo czytałem już nie pamiętam gdzie, że powyżej 18V na tych układach robi się nieciekawie i zaczynają się porządnie grzać.

Z góry dzięki

ad. 1. Właściwie nie wiem czym się dzielić: schemat ze strony 7 dokumentacji z pominięciem N-Mosfeta.
ad. 2. tranzystory wewnątrz mostka mają wbudowane diody, nie było problemu, aczkolwiek jeśli byśmy chcieli, aby się nieco mniej grzał przy dużych częstotliwościach, można by zamontować 4 szybkie diody shottky na minimum 20A
ad. 3. Były problemy przy wersji z pomiarem prądu, gdyż miaął ograniczenie do 16V. VNH3SP30 ograniczeń nie mają (tzn. mają - ok 40V ). Takie napięcie nie sprawiało problemu, jednakże byliśmy daleko od teoretycznej dopuszczalnej częstotliwości PWM. Operowaliśmy na 1kHz, przy 4kHz już się zdecydowanie mocniej nagrzewał (i hałasował - 1kHz jest w miarę neutralny, 4kHz jest bardzo irytujący), więc więcej nie próbowaliśmy.
Nie wiem jak się zachowa w sytuacji zablokowania silnika, np. kiedy jakaś gałąź zablokuje koło, zabezpieczenie termiczne nie musi działać za każdym razem. Powinieneś uwzględnić pomiar prądu i w sytuacji, kiedy prąd będzie przekraczał jakiś próg przez ponad np. 1 sekundę, silniki zostaną zatrzymane na przynajmniej kilka sekund.