Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Silniki prądu stałego cz.8 - omówienie sterowników silników PMDC

Zgodnie z zapowiedzią, w tym odcinku zaczniemy omawiać bardziej zaawansowane sterowniki silników PMDC. Wcześniej zajmowaliśmy się prostymi impulsowymi sterownikami prędkości silnika z pojedynczym kluczem-tranzystorem i diodą pozwalającą zachować ciągłość prądu w indukcyjności silnika.
Article Image

sJuż w piątej części cyklu dostrzegliśmy uderzające podobieństwo prostego sterownika silnika do przetwornicy obniżającej – rysunek 1.

Rys.1 Silnik PMDC i przetwornica obniżająca

Gdy tranzystor przewodzi, prąd pobierany jest ze źródła zasilania według rysunku 2a. W chwilach przerw indukcyjność wymusza przepływ prądu w tym samym kierunku i dlatego niezbędna jest dioda – rysunek 2b.

Prąd, płynąc przez diodę, wywołuje na niej spadek napięcia, co oznacza straty mocy i grzanie się diody.

W przypadku małych silników o prądach pracy rzędu jednego, a nawet do kilku amperów nie jest to problemem, bo prąd przez diodę płynie tylko w krótkich chwilach, więc jego wartość skuteczna jest dużo mniejsza od prądu nominalnego silnika. Straty do 1 wata nie są problemem.

Rys.2 Silnik PMDC - przepływ prądu

Jeżeli jednak chodzi o sterownik potężnego silnika o prądzie nominalnym kilkunastu czy kilkudziesięciu amperów, straty mocy w diodzie okażą się poważnym problemem, bo trzeba rozproszyć znaczne ilości ciepła, by nie przegrzać półprzewodników. Wtedy warto poszukać lepszych rozwiązań.

Jak działa przetwornica synchroniczna?

I tak dochodzimy do przetwornicy synchronicznej, której podstawowa idea pokazana jest na rysunku 3a. Z cyklu o przetwornicach pamiętamy, że w przetwornicach obniżających o dużych prądach dla zmniejszenia strat, zamiast diody, stosujemy drugi tranzystor, sterowany „w przeciwfazie”. Prawie zawsze jest to tranzystor MOSFET. Spadek napięcia na tym drugim tranzystorze jest dużo mniejszy niż na diodzie, więc straty mocy są odpowiednio mniejsze.

Rysunek 3b pokazuje koncepcję realizacyjną z wykorzystaniem komplementarnych, otwieranych na przemian MOSFET-ów. Powszechnie wiadomo że MOSFET-y P mają gorsze parametry i wyższe ceny, dlatego w praktyce zdecydowanie częściej tego rodzaju sterowniki, nie tylko do silników, realizuje się z dwoma tranzystorami MOSFET N według rysunku 3c.

Rys.3 Przetwornice synchroniczne - schematy ideowe

Taka konfiguracja wymaga znacznie bardziej skomplikowanego sterownika, ponieważ dla otwarcia „górnego” MOSFET-a trzeba na jego bramkę podać impulsy dodatnie względem dodatniej szyny zasilania. Pomimo tej niedogodności takie rozwiązanie jest często stosowane i dostępne są specjalizowane sterowniki, które pozwalają to łatwo zrealizować.

Warto dodać, że zastępujący diodę „dolny” pomocniczy MOSFET otwierany „w przerwach impulsów”, przewodzi prąd w „niewłaściwym” kierunku (prąd płynie od źródła do drenu) niemniej jak najbardziej MOSFET może pracować w taki sposób.

W takiej przetwornicy synchronicznej, gdzie dwa tranzystory połączone są w szereg, należy skutecznie wykluczyć ryzyko uszkodzenia wskutek choćby chwilowego przewodzenia obu tranzystorów jednocześnie (shoot-through), dlatego konieczne jest wprowadzenie niewielkiego opóźnienia, rzędu 1 mikrosekundy, tzw. czasu martwego (dead time), gdy nie przewodzą oba tranzystory. W tych króciutkich chwilach, gdy oba tranzystory są zatkane, prąd indukcyjności płynie przez diodę: albo przez diodę wbudowaną w MOSFET, albo przez diodę Schottky’ego dołączoną równolegle do „dolnego” MOSFET-a według rysunku 4. To też nie jest dziś problemem.

Rys.4 Wykluczenie shoot-through

Na razie omawiamy prostsze sterowniki, pozwalające regulować prędkość obrotową silników DC, ale tylko przy obrotach w jednym kierunku. Zmiana kierunku obrotów jest tu możliwa np. za pomocą przekaźnika, jak to było zasygnalizowane w poprzednim odcinku na rysunku 5 i fotografii 6. W praktyce powszechnie stosuje się sterowniki mostkowe (full-bridge), gdzie zamiast dwóch tranzystorów, zastosowane są cztery, co pozwala zmieniać prędkość obrotową elektronicznie, bez przekaźnika a także realizować inne dodatkowe funkcje.

Analiza sterownika mostkowego jest trudniejsza i można zaplątać się w szczegółach, dlatego o niektórych takich dodatkowych funkcjach należy wspomnieć wcześniej.

Rys.5 Zmiana kierunku obrotów np. za pomocą przekaźnika

A przede wszystkim należy nadmienić, że produkowane są specjalizowane scalone sterowniki z dwoma (a nie czterema) tranzystorami według rysunku 3, nazywane half-bridge (połowa mostka). Przykładem może być Infineon BTN-8982TA (rysunek 5), układ scalony zawierający układy sterujące oraz komplementarne MOSFET-y mocy o prądzie pracy ciągłym co najmniej 44A i impulsowym ponad 100A.

Dla hobbystów łatwo dostępne są pokrewne układy BTS7960B o nieco mniejszym prądzie, montowane parami w tanich chińskich modułach, realizujących funkcję pełnego mostka (fotografia 6).

Fot.6 Układy BTS7960B

Rysunek 7 pokazuje kilkudziesięcioamperowy regulator prędkości silnika PMDC, zrealizowany na pojedynczych tranzystorach MOSFET N, sterowanych przez bardzo popularną kostkę ’3524, będącą modulatorem PWM. Jest to stare opracowanie regulatora firmy Q4D (www.4qdtec.com/pwm-01.html). Widać tu, w jak prosty sposób można wytworzyć napięcie dodatnie względem dodatniej szyny zasilania, niezbędne do sterowania „górnego” MOSFET-a.

Opis

W ogromnej większości przypadków zadaniem tego typu sterowników jest jedynie regulacja prędkości silnika pracującego w swojej kanonicznej roli. Ale w nielicznych zastosowaniach silnik może pracować inaczej, mianowicie w roli prądnicy. Wtedy w grę wchodzą dodatkowe czynniki, w tym problem hamowania i odzyskiwania energii. Sterownik może wówczas pełnić dodatkowe funkcje. Tymi kwestiami zajmiemy się w następnym odcinku cyklu.

Tematyka materiału: silniki prądu stałego, przetwornice
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich kwiecień 2019
Udostępnij
UK Logo