Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Silniki prądu stałego cz.6 - regulatory 'jednokierunkowe' (modulator PWM i tranzystor-klucz)

Zgodnie z zapowiedzią, w tym odcinku omówimy rozmaite rozwiązania układowe impulsowych sterowników silników prądu stałego z magnesami trwałymi. W dalszych odcinkach poznamy bardziej zaawansowane impulsowe regulatory prędkości, w tym 'dwukierunkowe'. Ale na razie omówimy nieskomplikowane regulatory 'jednokierunkowe', które choć są bardzo proste, niemniej w praktyce w bardzo wielu zastosowaniach okazują się jak najbardziej użyteczne.
Article Image

W takich prostych sterownikach najważniejsze są dwa główne bloki: generator przebiegu prostokątnego o zmiennym wypełnieniu impulsów (modulator PWM) oraz tranzystor – klucz.

Tranzystor – klucz (w regulatorze silnika)

Z tranzystorem – kluczem nie ma problemu, bo obecnie z reguły jest to MOSFET. Dawniej w regulatorach silników PMDC stosowano bipolarne tranzystory mocy, ale oprócz pewnych niewielkich zalet, miały one też wady i dziś naprawdę nie warto ich używać.

MOSFET-y są dziś na tyle tanie, że można zastosować typ, którego katalogowy prąd maksymalny jest znacznie większy niż prąd zatrzymanego silnika (będący ilorazem napięcia zasilania i rezystancji szeregowej Rs silnika: IMAX = UZ / Rs). Tak dobrany tranzystor nie spali się w przypadku chwilowego zatrzymania silnika. Jednak być może ulegnie przegrzaniu (zarówno MOSFET, jak i silnik), gdyby taki stan trwał dłużej. Można temu zapobiec, włączając odpowiednio dobrany bezpiecznik, albo zwykły topikowy, albo nowocześniejszy polimerowy.

Zasadniczo wystarczy, żeby katalogowe napięcie maksymalne UDS MOSFET-a było tylko troszkę wyższe od napięcia zasilającego silnik. W praktyce zwykle stosuje się MOSFET o napięciu do 2 razy wyższym niż napięcie zasilania silnika. Stosowanie MOSFET-ów o napięciu dopuszczalnym wyższym niż podwójna wartość napięcia zasilania nie ma uzasadnienia, a nawet jest niekorzystne, bo mają one wyższą rezystancję RDSon.

MOSFET o mniejszej rezystancji RDSon będzie się mniej grzał w chwilach przewodzenia prądu.

Wprawdzie generalnie tranzystory o mniejszej rezystancji RDSon mają większą pojemność wejściową, co może zwiększyć straty przełączania, ale zazwyczaj nie jest to problemem przy częstotliwości przełączania do 20kHz. Ogólnie biorąc, z doborem klucza – MOSFET-a nie powinno być żadnych problemów.

Generator PWM w sterowniku silnika

W sterownikach silników można zastosować najróżniejsze, niemal dowolne generatory „prostokąta” o zmiennym wypełnieniu (PWM).

W przypadku silników o napięciach nominalnych do 15–18V takie nieduże napięcie zasilające silnik można też wprost wykorzystać do zasilania układu sterownika PWM.

Można wtedy zastosować generator (modulator) PWM albo na jakimś układzie CMOS 4000, albo na popularnym timerze 555. Kilka prostych przykładów znalezionych w Internecie znajdziesz na rysunkach 1, 2. We wszystkich układach z rysunku 1 tranzystor – klucz nie jest sterowany wprost z wyjścia generatora, tylko za pośrednictwem dodatkowego inwertera. W wersji pierwszej trzy inwertery są połączone równolegle dla zwiększenia wydajności prądowej takiego sterownika. Jest to potrzebne do sterowania bramki MOSFET-a, o czym będziemy mówić w następnym odcinku.

Rys.1 Przykłady zastosowania generatorów (modulatorów) PWM
Rys.2 Przykłady zastosowania generatorów (modulatorów) PWM

Wyjście 3 kostki 555 ma większą wydajność prądową i może bezpośrednio sterować bramką MOSFET-a.

Na rysunku 3 pokazany jest regulator PWM ze wzmacniaczem operacyjnym. Na kondensatorze C1 występuje przebieg podobny do trójkątnego, a potencjometr POT1 pozwala regulować wypełnienie od zera do 100%. Idea jest jasna i przejrzysta, ale łatwo o błąd. Otóż dobierając wzmacniacz operacyjny, koniecznie trzeba zwrócić uwagę na jego szybkość. Niektóre wzmacniacze operacyjne, w tym popularny LM358, są powolne. Taki układ nie będzie prawidłowo pracował przy wyższych częstotliwościach, a nawet gdyby sam generator pracował, stromość impulsów na bramce MOSFET-a może się okazać zdecydowanie za mała, co poważnie zwiększy straty występujące podczas przełączania.

Rys.3 Regulator PWM ze wzmacniaczem operacyjnym

Na rysunku 4a pokazany jest dość skomplikowany regulator PWM, wykorzystujący popularną kostkę TL494, do dziś często stosowaną w różnego rodzaju przetwornicach w zasilaczach komputerowych. Kostka pełni funkcję generatora – modulatora PWM, a na jej wyjściu dodatkowo zastosowano tranzystory BD139/BD140 zwiększające prąd wyjściowy.

Rysunek 4b pochodzący ze strony: www.wzmicro.com/3525.htm. to przykład wykorzystania innego popularnego sterownika „komputerowych" przetwornic impulsowych SG3525 (KA3525, itd.), gdzie nietypowo zrealizowany jest ogranicznik prądu.

Rys.4 Przykłady regulatorów PWM

Wszystkie przedstawione w tym odcinku schematy pochodzą z Internetu, gdzie można też znaleźć szereg innych pokrewnych schematów. W związku z tym trzeba pamiętać, że często są to schematy niedopracowane, nieoptymalne, przestarzałe albo niekiedy wręcz ewidentnie błędne.

Przykład „pseudoregulatora” prędkości silnika znajdziesz na rysunku 5. Nie reguluje on wypełnienia, a tylko częstotliwość, więc jego skuteczność i przydatność są znikome.

Przedstawione schematy można potraktować jako źródło inspiracji. Jednak jak widać, po części są to bardzo stare rozwiązania z tranzystorem bipolarnym mocy, a wtedy konieczny jest szeregowy rezystor ograniczający prąd bazy (ale nie za bardzo ograniczający, żeby jednak w pełni otworzyć – nasycić tranzystor).

Rys.5 Przykład „pseudoregulatora” prędkości silnika

Tranzystor bipolarny śmiało, bez żadnych przeróbek, można zastąpić MOSFET-em. Nie trzeba wtedy stosować szeregowego rezystora ograniczającego, a jeśli już ktoś koniecznie chce go zastosować, to „mały” o oporności od 10 do co najwyżej kilkuset omów. MOSFET-y mają zwykle dopuszczalne napięcie bramki (UGSmax) ±20V, więc przy napięciu zasilania kilkanaście woltów nie ma potrzeby dodawania obwodu chroniącego bramkę. Taki obwód ochronny zwykle ma postać diody Zenera o napieciu 12...18V, włączonej między bramkę a źródło, jak widać na rysunku 4a.

Klasyczne MOSFET-y mają napięcie progu otwierania UGSth około 3V, a w pełni otwierają się dopiero przy napięciu UGS powyżej 6V. Sterownik PWM dla „zwykłego MOSFET-a” nie powinien więc być zasilany napięciem niższym niż 6V. Optymalny zakres dla „zwykłych” MOSFET-ów to 9...15V.

Ale dziś dostępnych jest mnóstwo typów MOSFET-ów o obniżonym napięciu progowym UGSth. Stosując klucz – MOSFET o takim niższym napięciu otwierania, można użyć sterownika PWM zasilanego napięciem 5V, przy czym silnik może być zasilany dowolnie wyższym napięciem. Przykład na rysunku 3.

Podobny układ modulatora szerokości impulsów (PWM) można oczywiście zrealizować za pomocą mikroprocesora, najlepiej zasilanego napięciem 5V, co pozwoli wprost wysterować MOSFET-a. W każdym przypadku należy się upewnić, czy zastosowany MOSFET zostanie w pełni otwarty przy danym napięciu sterującym.

Ogólnie biorąc, schematy z Internetu warto traktować jako źródło inspiracji, a nie jako gotowe recepty. Często warto, a wręcz trzeba dokonać modyfikacji i dobrać tranzystor – klucz i diodę. Zajmiemy się tym w następnym odcinku.

Tematyka materiału: silniki prądu stałego
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich grudzień 2018
Udostępnij
UK Logo