Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Sterowanie PWM - włączanie i wyłączanie klucza.

zgierzman 08 Mar 2019 12:45 2151 6
  • Sterowanie PWM - włączanie i wyłączanie klucza.

    Mam nadzieję, że ten krótki tekst pomoże adeptom sztuki elektroniki w projektowaniu sterowania PWM, zarówno od strony programowej jak i sprzętowej.
    Może choć w części odpowie na nurtujące niektórych początkujących pytanie: dlaczego mój mosfet się grzeje, chociaż nic nie robi?

    Mój kolega miał kiedyś pewien problem z softem to sterowania PWM. Zaczynał wtedy swoją przygodę z elektroniką.
    Wyposażony był w oscyloskop DS0138 i udało mu się zarejestrować następujące przebiegi:
    Sterowanie PWM - włączanie i wyłączanie klucza. Sterowanie PWM - włączanie i wyłączanie klucza.

    Widać pojawiające się impulsy, pomimo teoretycznego wypełnienia 0%. Oczywiście jest to kwestia programowa którą łatwo dało się naprawić, ale pozostało pytanie: co się wtedy dzieje w układzie?

    Zrobiłem kilka prób na biurku i poniższy tekst jest w większości kopią maila którego mu wtedy wysłałem.

    Zasilanie: 32VDC
    Obciążenie: rezystor drutowy 30Ω, 30W, indukcyjność 250 µH
    Rezystor pomiarowy: 1Ω, 1W

    Włączanie przez rezystor bramkowy Rg=620Ω, wyłączanie przez tranzystor NPN. Czyli układ podobny do stosowanego przez wielu...

    Sterowanie PWM - włączanie i wyłączanie klucza.

    Na początek włączanie traznzystora:
    Sterowanie PWM - włączanie i wyłączanie klucza.





    Kanał 1 - żółty - to napięcie na tranzystorze
    Kanał 2 - niebieski (zielony?) - to prąd tranzystora
    Kanał 3 - różowy - to napięcie na bramce
    Na fioletowo moc wydzielana na tranzystorze(po prostu prąd pomnożony przez napięcie)

    Widać od razu, że czas narastania napięcia na bramce jest dość duży, wynosi ok. 2 mikrosekundy, ale i tak moc się wydziela niewielka, jeśli się przyjrzeć, to można zobaczyć pik jakieś 2,5 W i tyle. Poza momentem przełączania moc wydzielana na tranzystorze to praktycznie 0. Prąd oscyluje przez jakiś czas. Napięcie na tranzystorze jest bardzo małe, więc moc wydzielana też jest znikoma.

    Teraz wyłączanie:
    Sterowanie PWM - włączanie i wyłączanie klucza.

    Bramka rozładowuje się przez tranzystor bez żadnej dodatkowej rezystancji, więc szybko.
    Pojawiają się oscylacje, które trwają jakieś 15 - 20 mikrosekund, a pierwszy pik mocy (ten w momencie wyłączania) ma ponad 8 W, drugi jeszcze ponad 4 W... W stanach ustalonych prawie 0.

    Na koniec odpowiedź na impuls:
    Sterowanie PWM - włączanie i wyłączanie klucza.

    To jest odpowiedź na impuls o szerokości poniżej 1 mikrosekundy.
    Tu sterowałem bramką bezpośrednio, nie przez NPN i rezystor, więc czas narastania napięcia na bramce jest mały.
    Napięcie widać, że spada kiedy się tranzystor włącza, potem rośnie z pikiem i tylko troszkę oscyluje. Prąd ma pik ok 800 mA, potem oscyluje. A moc jak widać ma pik ok 5W a potem oscyluje przez jakieś 15 mikrosekund.

    Ciekawe jest to, że moc tracona przy wyłączaniu jest mniejsza niż w poprzednim przypadku.

    I przy włączaniu, i przy wyłączaniu straty są tylko w momencie przełączania.

    Wnioski jakie się nasuwają po tych pomiarach są takie, że:
    Straty w tranzystorze nie zależą wyłącznie od specyfikacji samego tranzystora, np jego Rdson.
    PWM powinien mieć tak małą częstotliwość jak to tylko możliwe aby układ działał prawidłowo. Wyższe f powoduje tylko wyższe straty i niepotrzebne grzanie się mosfeta.
    Dodatkowo nie należy niepotrzebnie zmniejszać wypełnienia - jeśli, na przykład, elektryczna hulajnoga z pasażerem nie rusza przy wypełnieniu, powiedzmy, poniżej 5%, to warto programowo uwzględnić ten fakt i startować od wartości progowej, poniżej której po prostu wyłączać sterowanie całkowicie.

    Jako bonus włączanie tyrystora.
    Układ badany:
    Sterowanie PWM - włączanie i wyłączanie klucza.

    i przebieg:
    Sterowanie PWM - włączanie i wyłączanie klucza.

    Przez pierwsze 2 mikrosekundy prąd rośnie a napięcie spada, moc w szczycie to jakieś 5,5 wata, a moc ustalona to ok 1,3 wata


    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • #2 08 Mar 2019 18:57
    Marek_Skalski
    Moderator Projektowanie

    Coś Kolega napisał, czegoś się domyśla, ale brakuje tutaj analizy tematu i konkluzji: dlaczego tak jest i jak to poprawić?

    Proponuję zapoznać się z tym materiałem: Obliczenia strat dynamicznych dla mosfet

  • #3 09 Mar 2019 14:28
    acctr
    Poziom 15  

    Kombinowanie z tranzystorami, opornikami, diodami do sterowania bramką to tylko strata czasu. Rozwiązaniem są specjalizowane drivery, które zapewniają wystarczającą stromość zboczy i rozwiązują problem konwersji napięć z TTL do wymaganej wartości Ugson. Są to np. TC427, TC428 czy nowsze TC4427. Zwykle posiadają dwa bufory wzmacniające zanegowane lub nie.

  • #4 09 Mar 2019 19:30
    djfarad02
    Poziom 17  

    acctr napisał:
    Rozwiązaniem są specjalizowane drivery, które zapewniają wystarczającą stromość zboczy


    Stromość zboczy jest potrzebna przy układach szybkich, a do takich sterowanie PWM żarówką czy silnikiem nie należy. Tutaj duża stromość zboczy nie jest potrzebna a wręcz może być szkodliwa - patrz powstające przy przełączaniu oscylacje. Najprostszą metodą walki z takimi oscylacjami jest przedłużenie czasów narastania i opadania napięcia na bramce. Dodatkowe straty z tego tytułu są praktycznie bez znaczenia, a zyskujemy bardzo wiele - mniejsze przepięcia (zwłaszcza przy przełączaniu obciążeń indukcyjnych) oraz niższą emisję zakłóceń elektromagnetycznych.

  • #5 09 Mar 2019 20:28
    acctr
    Poziom 15  

    djfarad02 napisał:
    Stromość zboczy jest potrzebna przy układach szybkich, a do takich sterowanie PWM żarówką czy silnikiem nie należy. Tutaj duża stromość zboczy nie jest potrzebna a wręcz może być szkodliwa - patrz powstające przy przełączaniu oscylacje. Najprostszą metodą walki z takimi oscylacjami jest przedłużenie czasów narastania i opadania napięcia na bramce. Dodatkowe straty z tego tytułu są praktycznie bez znaczenia, a zyskujemy bardzo wiele - mniejsze przepięcia (zwłaszcza przy przełączaniu obciążeń indukcyjnych) oraz niższą emisję zakłóceń elektromagnetycznych.

    Jeżeli uważasz wydłużenie zbocza za rozwiązanie problemu przepięć to w tym celu wystarczy włączyć niewielki rezystor (1..100Ω) w szereg z bramką. Bo chyba lepiej od razu dysponować ostrym zboczem niż zaprojektować układ z 10-µs zboczem i dziwić się dlaczego tranzystor wystrzelił.
    Początkujący powinni być świadomi tego, że w układach impulsowych z mosfetem lepiej od razu zastosować specjalizowany driver niż kombinować z tranzystorami. Poza tym jak już kombinować to nie ze słabymi 100mA BC54x/BC55x ale z mosfetami mniejszej mocy z mniejszą pojemnością bramki albo chociaż z impulsowymi 2N2369.

  • #6 09 Mar 2019 21:12
    radiosimon
    Poziom 28  

    Tamat rzeka, też nie do końca rozumiem, co autor tak krótkim artykułem chciał osiągnąć.
    Jeśli chodzi o oscylacje to polecam zgłębić tę frazę:
    "snubber design in switching circuits"
    ewentualnie od strony wejścia: https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3468858.html

  • #7 14 Mar 2019 12:16
    chudybyk
    Poziom 28  

    Nie chcę dobijać autora, ale ten układ po podaniu napięcia ma trwale otwarty klucz. Zanim procesor zdąży uruchomić PWM-a, albo zdarzy się zatrzymać debug na początku main(), to z mosfeta może już polecieć dym.
    Ale pochwalam za chęć podzielenia się spostrzeżeniami z uruchamiania.