Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Jak projektować mostki H dla silników elektrycznych DC

ghost666 04 Feb 2018 15:17 10644 72
Automation24
  • Jak projektować mostki H dla silników elektrycznych DC
    Przedstawiony poniżej opis dotyczy artykułu z Instructables, który krok po kroku opisuje jak zaprojektować mostek H dla silników prądu stałego o prądzie 40 A. Mostek ten ma zapewnić, oprócz kontroli kierunku obrotów, także sterowanie prędkością, dzięki modulacji PWM sygnału.

    Autor zastrzega, że jest to pierwszy mostek H, jaki projektuje, więc może posiadać pewne wady oraz dziwne rozwiązania. Jeśli macie pomysły, jak zrobić to lepiej, napiszcie o nich poniżej.

    Mostek H

    Jak projektować mostki H dla silników elektrycznych DC

    Mostek H przełączać ma duże prądy, dlatego w jego konstrukcji zastosowano tranzystory MOSFET. W mostku znajdują się cztery takie tranzystory - Q1 - Q4, jak pokazano na schemacie. Tranzystory Q1 i Q3 tworzą dodatnią część mostka i muszą być wyposażone w tranzystory z kanałem typu P. Aby włączyć taki tranzystor, konieczne jest podanie na bramkę tranzystora napięcia o około 10 V mniejszego niż napięcie na źródle - w naszym przypadku 24 V. Z kolei tranzystory Q2 i Q4 muszą być z kanałem typu N; tego rodzaju tranzystory załącza się napięciem na bramce o 10 V większym niż napięcie źródła, czyli w naszym wypadku 0 V.

    Jeśli załączymy Q1 i Q4, przy wyłączonych pozostałych tranzystorach, to prąd popłynie przez nie i przez silnik, który zacznie obracać się w jedną stronę. Jeśli teraz załączymy tranzystory odwrotnie - prąd popłynie przez silnik w drugą stronę, dzięki czemu silnik będzie obracał się w przeciwnym kierunku.

    W kolejnym krok autor opisuje, jak mostek H zabezpieczyć należy diodami - przed napięciem indukującym się na uzwojeniu silnika w momencie jego hamowania. Na tym jednakże nie koniec dodawania zabezpieczeń do sterownika. W kolejnym kroku autor przedstawia, jak zabezpieczyć system przed stanami nieustalonymi na bramkach tranzystorów MOSFET. Dzięki temu nie włączą się one przypadkiem.

    Kolejne zabezpieczenia, jakie dodaje do sterownika silnika autor, to układy logiczne, które kontrolują włączanie poszczególnych tranzystorów, dzięki czemu nie jest możliwe zwarcie mostka - załączenie dwóch tranzystorów po jednej stronie mostka H.

    Dodatkowo autor zintegrował w układzie zabezpieczenie termiczne, system chłodzenia w postaci dwóch wentylatorów o regulowanych obrotach oraz interfejs do sterowania mostkiem z mikrokontrolera z wyjściami 5 V (mostek przewidziany jest do zasilania napięciem 24 V).

    Finalnie, w artykule opisano, jak zaprojektować płytkę drukowaną do tego rodzaju mostka H, aby działał on poprawnie i bezawaryjnie.

    W artykule znajduje się też dokładny opis, jak dobrać poszczególne elementy systemu do naszej konkretnej aplikacji, więc będzie on pomocny dla każdego, kto chciałby zaprojektować swój własny mostek H do sterowania nie tylko dowolnego rodzaju silnikiem DC, ale także np. silnikiem krokowym.

    Źródło: http://www.instructables.com/id/Designing-a-Dual-40A-PWM-Speed-Controller-for-Brus/

    Cool? Ranking DIY
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11807 posts with rating 9944, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • Automation24
  • #2
    hv222
    Level 16  
    Brakuje mi tu zabezpieczenia bramki poprzez diodę transil lub Zenera. Duża rezystancja w obwodzie sterowania bramką może powodować niechciane włączenie tranzystora będące skutkiem napięcia, które odłoży się na rezystorze, gdy przez pojemność pasożytniczą tranzystora zacznie płynąć prąd w skutek gwałtownych zmian prądu drenu. Napięcie to może też doprowadzić do przebicia bramki, a niechciane otwarcie obu tranzystorów prawdopodobnie skończy się rozerwaniem tranzystorów lub przepaleniem ścieżek lub przewodów.
  • #3
    kowal011
    Level 21  
    hv222 wrote:
    Brakuje mi tu zabezpieczenia...

    Czyli bardziej jak NIE projektować mostków H.
  • #4
    ghost666
    Translator, editor
    kowal011 wrote:
    hv222 wrote:
    Brakuje mi tu zabezpieczenia...

    Czyli bardziej jak NIE projektować mostków H.


    A co jest jeszcze nie tak z tym projektem? Dodatkowo, jak zaznaczałem w tekście:

    Quote:
    Autor zastrzega, że jest to pierwszy mostek H, jaki projektuje, więc może posiadać pewne wady oraz dziwne rozwiązania. Jeśli macie pomysły jak zrobić to lepiej, napiszcie o nich poniżej.
  • Automation24
  • #5
    hv222
    Level 16  
    - Warto zastosować na górze i na dole tranzystory typu N. Komplikuje to sprawę sterowania, ale mają one lepszy stosunek parametrów do ceny,
    - Zastosowanie drivera MOSFET z izolacją galwaniczną dla dolnych i górnych tranzystorów. Pomaga to odseparować masy. Pomoże to też zabezpieczyć mikrokontroler w przypadku przebicia bramki. Driver o dużym prądzie przełączania skróci czas przełączania dużych tranzystorów. W przypadku dużych prądów warto wybrać sterowniki z active camp.
    - Dodanie pomiaru prądu, nawet jeśli ma tylko wykrywać zwarcie na silniku,
    - Warto pomyśleć o większym zapasie dopuszczalnego napięcia dren - źródło, ze względu na indukcyjny charakter odbiornika,
    - Uwzględnienie czasów martwych w sterowaniu.
    - Stosowanie pomp pojemnościowych lub przetwornic do zasilania driverów górnych tranzystorów z kanałem N, umożliwi to sterowanie ze 100% wypełnieniem. Stosując bootstrap trzeba co jakiś czas otwierać dolny tranzystor, alby kondensator mógł się naładować.
    - W niektórych aplikacjach może być potrzebny gasik RC między drenem i źródłem tranzystorów.

    Tyle teoria (mogłem ze względu na późną porę coś pominąć). W praktyce testowanie to co najmniej kilkanaście spalonych tranzystorów, a czasem i driverów.
  • #6
    Anonymous
    Anonymous  
  • #7
    hv222
    Level 16  
    AnicoZ wrote:
    ghost666 wrote:
    W kolejnym krok autor opisuje, jak mostek H zabezpieczyć należy diodami, przed napięciem indukującym się na uzwojeniu silnika w momencie jego hamowania.

    W czasie hamowania nie bedzie przepięć, pojawią się po otwarciu kluczy (wolny bieg lub regulacja PWM). Po co dawać dodatkowe diody, skoro już one są w tranzystorach?


    Po pierwsze diody Schottkiego mają mniejsze napięcie przewodzenia, co ogranicza straty w czasie, gdy oba tranzystory w pół mostku nie przewodzą (w czasie martwym). Po drogie są dużo szybsze niż diody które są w tranzystorze (nie są to specjalnie dodawane diody, a wynikają one z budowy tranzystora)
  • #8
    Anonymous
    Anonymous  
  • #9
    RomanFilipecki
    Level 18  
    Sądzę że trzeba pomyśleć o sterowaniu bramkami za pomocą specjalizowanych driverów, oraz o pomiarze prądu, oszczędzi to konstruktorowi stresów:)
  • #10
    kowal011
    Level 21  
    ghost666 koledzy wyżej wyczerpali zagadnienie. Temat ciekawy dla początkujących, którzy nie słyszeli o mostku H. Co bardziej ogarnięci i nauczeni myśleć analogowo znajdą sami w głowie dodatki do podstawowej aplikacji układu. Ci, których w/w problemy związane z mostkiem przerosną będą wpisywać w google frazy typu " jak sterować silnikiem w przód i w tył?". Dla nich można temat rozwinąć o owe modyfikacje.
  • #11
    Slawek K.
    Level 35  
    Cześć uwag kolegów jest jak najbardziej słuszna, jednak można odnieść wrażenie, że każdy zna idealny układ mostka H i trzyma go w głowie nie chcąc zapewne nim sie podzielić publicznie. Jakiś czas temu poświęciłem dużo czasu na przeglądnięcie pod tum kątem elektrody i nie znalazłem schematu który byłby ok, do każdego były uwagi, ale niestety o charakterze ogólnym, na prośby autorów wątków w znakomitej większości nie doczekali sie konkretów. Myśle, ze to dobra okazja do tego, aby koledzy którzy sie na tym znają, wrzucili poprawne i bardzo dobrze zabezpieczone schematy, myśle, ze wtedy uniknie sie takich dyskusji, a zainteresowani bedą mieli dobre zródło wiedzy i nie bedą popełniać błędów.

    Pozrr
    Sławek
  • #12
    hv222
    Level 16  
    Nie dziwię się zaistniałej sytuacji. O ile sterownik na małe prądy można kupić zintegrowany i tylko przenieść jego aplikację na docelowe PCB to sterownik na 40 A czy 200 A to już inna bajka. Miałem okazję rozmawiać z producentem sterowników na takie prądy. Czas dopracowywania projektu, który nie miał wszystkich wspomnianych zabezpieczeń to około 3 lata.
  • #13
    krzysiek_krm
    Level 40  
    Witam,
    nasunęła mi się drobna uwaga.
    AnicoZ wrote:
    Po co dawać dodatkowe diody, skoro już one są w tranzystorach?

    hv222 wrote:
    Po pierwsze diody Schottkiego mają mniejsze napięcie przewodzenia, co ogranicza straty w czasie, gdy oba tranzystory w pół mostku nie przewodzą (w czasie martwym). Po drogie są dużo szybsze niż diody które są w tranzystorze (nie są to specjalnie dodawane diody, a wynikają one z budowy tranzystora)

    Stosowanie diod Schottky'ego w takich układach jest ze wszech miar wskazane. Niekoniecznie powodem są mniejsze straty, chociaż jest to jakiś "bonus" w pakiecie. Głównie chodzi o to, że w diodach Schottky'ego nie występuje zjawisko "reverse recovery" tak jak w diodach ze złączem p-n. Zjawisko to powoduje powstawanie dość stromych szpilek prądowych i w konsekwencji generowanie nieprzyjemnych i trudnych do opanowania zakłóceń o dużej zawartości harmonicznych. W diodach Schottky'ego podczas wyłączania również występuje pewien pik prądu wynikający z konieczności przeładowania pasożytniczych pojemności montażowych, ma jednak znacznie mniejszą energię i jest korzystnie "rozdeptany".
    Od dość dawna produkuje się elementy pod tytułem "Mosfet plus Schottky Combo", od jakiegoś czasu producenci oferują tranzystory mosfet, które mają "integrated Schottky - like diode".

    Pozdrawiam
  • #14
    __Maciek__
    Level 20  
    Hej, wrzucałem kiedyś coś co odpowiada części postawionym tu wymaganiom ... Co prawda celem było sterowanie modułem peltiera, lecz bez problemu mógłby sterować silnikiem DC
    https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3078409.html
    Jestem pewien że nie ustrzegłem się błędów - ale sterowanie jest troszkę bardziej rozbudowane.
  • #15
    sikret
    Level 9  
    Jak tu w przypadku spadku napięcia na wyjściu mostka? np. jeżeli mamy na wejściu 24V to ile będziemy mieli na silniku DC?
  • #16
    ghost666
    Translator, editor
    sikret wrote:
    Jak tu w przypadku spadku napięcia na wyjściu mostka? np. jeżeli mamy na wejściu 24V to ile będziemy mieli na silniku DC?


    Spadki na MOSFETach są niewielkie i zależą od konkretnego układu i prądu, jaki płynie przez silnik.

    Jeśli mamy Rds(on) FETa na poziomie 0,1 Ω (to jest dosyć dużo, są FETy mające 100 razy mniej) i prąd silnika na poziomie, powiedzmy, 1 A to spadek napięcia wyniesie 0,2 V (bo są dwa tranzystory po drodze).

    Jeśli mamy pomiar prądu w mostku, to jeszcze doliczmy do tego spadek napięcia na tym oporniku - pewnie koło 100 mV.
  • #17
    Anonymous
    Level 1  
  • #18
    sorry1
    Level 12  
    atom1477 fajnie że podzieliłeś się, powiedz proszę dlaczego nie masz diod na tranzystorach? Zastosowanie ich zabezpieczyło by przed indukowanymi napięciami z cewek zarówno mosfety jak i drivery. Nie byłoby konieczności zabezpieczania pinu Vs (D4, R10). W obecnej sytuacji same mosfety są bardzo słabo zabezpieczone. Dobrze myślę?
  • #19
    Anonymous
    Level 1  
  • #20
    sorry1
    Level 12  
    Masz rację, ale dalej nie rozumiem tych szpilek na Vs. Dlaczego dioda w T19 nie wystarczy?
  • #21
    Anonymous
    Level 1  
  • #24
    Anonymous
    Level 1  
  • #25
    krzysiek_krm
    Level 40  
    hv222 wrote:
    Jak wygląda sprawa z tranzystorami MOSFET wykonanych z azotku galu w sterownikach silników? Producenci zachwalają ich parametry, jednak sterowanie bramką ze względu na niskie napięcie przebicia czy specyficzna obudowa mogą stwarzać problemy w praktyce.

    Co jakiś czas na głównej stronie Elektrody Texas reklamuje swoje rozwiązania:
    http://www.ti.com/power-management/gan/overview.html
    Robią nawet gotowe moduły, to znaczy ze zintegrowanymi driverami.
  • #27
    Anonymous
    Level 1  
  • #29
    Anonymous
    Level 1  
  • #30
    hv222
    Level 16  
    Widzę w nich jednak plusy - mała obudowa - można bliżej dać kondensatory, choć koszt PCB pewnie większy. Dodatkowo mniejszy ładunek bramki i zerowy Qrr w aplikacjach z szybkim przełączaniem kluczy (przetwornice) może nadrobić stratę związaną z wyższym RDSon. Mają jednak większy prąd upływu bramki, co trzeba wziąć pod uwagę. Przy sterowaniu silników w mostku H raczej straty związane z RDSon mogą być większe, z uwagi na stosunkowo niską częstotliwość kluczowania.