Mostek H 24V 16A na przekaźnikach

[raster]

Witam wszystkich.

Przeglądam forum już od jakiegoś miesiąca i uczę się różnych rzeczy, bo chcę zbudować sporych rozmiarów (~25kg) zdalnie sterowany model czołgu. Jednak, jako że w elektronice jestem zielony jak trawa na wiosnę, to potrzebuję pomocy w zbudowaniu mostka H. Starałem się skonstruować go sam, ale jednak utknąłem w gąszczu tematów o mostkach H. Przeczytałem wszystkie tematy i do tego stopnia się zamieszałem, że dalej nie wiem jak mam zrobić swój mostek. Bardzo proszę o porady, najlepiej z uzasadnieniem co i dlaczego powinienem zmienić, tak żebym nawet ja zrozumiał dlaczego ma być tak a nie inaczej. 😉

Z góry przepraszam że się rozpisuję, starałem się przekazać jakie parametry ma to mieć i wyszedł mi post-kobyła.

Więc do rzeczy. Potrzebuję mostka do sterowania silnikiem 24V, którego normalny prąd pracy będzie wahał się w granicach 5~8A, jednak maksymalny prąd pobierany np. gdy ktoś uparcie będzie się starał wjechać w ścianę może wynosić 16A. Z tego co rozumiem, powinienem tak dobrać wszystkie elementy mostka, żeby wytrzymał te 16A. Gotowych scalonych mostków na takie parametry nie znalazłem (jedyny VNH3SP30 nie jest zalecany na napięcia powyżej 18V). Muszę więc zbudować swój mostek, a mój wybór padł na przekaźniki (prosta do zrozumienia zasada działania, niska cena). Jednak problemy zaczęły się w momencie gdy zdecydowałem dodać sterowanie PWM (o częstotliwości 100~200Hz, zalecanej w temacie o teorii mostków H). Sterowanie miałoby się odbywać tylko dwoma sygnałami - DIR (kierunek) i PWM (sygnały w logice 3,3V).

Wypichciłem coś takiego:

Elementy dobrałem takie:

O1, O2 - transoptor PC817 (razem jako PC847)

T1 - tranzystor npn BC547A

T2 - tranzystor MOSFET IRFP260

D1 - dioda Schottky'ego MBR1645

K1, K2 - pierwotnie miał to być jeden przekaźnik dwubiegunowy przekaźnik 24V/16A, ale nie mogę takiego znaleźć (zwłaszcza w rozsądnej cenie), więc zdecydowałem się na dwa

przekaźniki samochodowe 24V/30A, których pełno na Allegro za 2,99zł, sterowane razem. Ewentualnie dwa przekaźniki 12V połączone szeregowo chyba też dałyby radę?

Problem mam z:

C1 - nie wiem jaki kondensator dobrać - na tym samym zasilaniu będą chodziły dwa takie mostki - czyli 4 przekaźniki stukające sobie - oraz zasilanie 5V dla mikrokomputera pokładowego i trochę się o ten mikrokomputer boję...

D2 - czy tu też musi być dioda schottky'ego, czy może być zwykła, wytrzymująca 0,1A?

D3 - to ściągnąłem z innego tematu o mostkach H, nawet nie umiem nazwać poprawie tego elementu, a co dopiero go dobrać

R4 - ten opór ma zmniejszać prąd do 25mA, żeby nie spalić transoptora (maks. prąd 50mA), ale czy taki prąd (25mA) wystarczy do wysterowania tranzystora IRFP260 przy częstotliwości PWM rzędu 100~200Hz? Czy lepiej będzie po drodze dodać kolejny tranzystor BC547A żeby większy prąd dać? No i IRFP ma UGSmax 20V, więc nie wiem czy ten opór wystarczająco zmniejszy napięcie...

R6 - ten opór ma być do rozładowywania bramki tranzystora T2, wstawiłem tu 470kOhm ale nie mam pojęcia czy dobrze

F1 - pierwotnie miał być bezpiecznik 17A, potem chciałem tu wstawić opór który ograniczy prąd do max 10A, a ostatecznie wymyśliłem sobie że mógłbym tam wstawić układ który po przekroczeniu prądu np. 8A da znać sterowaniu że trzeba wyłączyć silnik, ale to zagadnienie na inny temat chyba

Proszę kogoś żeby przejrzał mój schemacik i powiedział mi co robię źle a co dobrze, i co muszę dodać żeby ten mostek działał poprawnie i był bezpieczny dla "okolicy" (czyli dla mikrokomputera pokładowego).

Pozdrawiam

[marek1707]

1. Jeżeli już stosujesz optoizolatory to zrób to konsekwentnie. Odłącz masę obu diodek LED od masy mostka i puść to jako trzeci przewód do płytki sterownika. Dopiero tam połącz to z masą układu cyfrowego która to z kolei połączy się z masą reszty gdzieś przy zasilaczu lub akumulatorze. Unikniesz wpływu spadków napięcia na wysokoprądowych przewodach masy mostka na sygnały sterujące.

2. Ten MOSFET (jak znakomita większość podobnych) wytrzymuje na bramce "tylko" ±20V. Nie możesz go sterować wprost z 24V. Musisz zrobić sobie jakieś pomocnicze napięcie np. 12V (opornik+Zener+kondensator) i dopiero tym popychać bramkę.

3. Sterowanie bramki "do góry" będzie słabe a "w dół" to już w ogóle tragedia. Ja bym jednak nie oszczędzał i użył normalnego drivera (10zł?) zasilanego z tych 12V co to je zrobiłeś w poprzednim punkcie. Możesz go zbudować "na piechotę" ale musisz się bardziej postarać. Jeden tranzystor z 10mA prądu kolektora nie wystarczy a opornik 470k będzie rozładowywał bramkę w jakieś milisekundy i usmaży Ci MOSFETa jak nic.

4. Sterowanie przekaźników samochodowych jest OK. Niepotrzebny jest tylko opornik R5. Za to dałbym coś do masy od bazy T1, np. 22k.

5. Co będzie źródłem zasilania? Jaki akumulator? Na szynie +24V nie musisz dawać jakichś wielkich pojemności. Moim zdaniem dobry 100-220uF/50V na mostek wystarczy.

6. Zasilanie kontrolera cyfrowego puść przez filtr RC np. 10R/100uF+100nF i będzie dobrze. Zrób prostą przetwornicę impulsową bo z 24V to liniowy będzie okropną grzałką choć przy zasilaniu samego procesora plus kilka diodek LED - nie wykluczam. Dla prądu 50mA dostaniesz 1W ciepła (i strat) - to jeszcze da się przeżyć.

7. D2 nie musi być Zenerem. Wystarczy jakaś szybka dioda (Schottky?) 50V/1A. W krótkich impulsach będzie przewodziła prąd równy prądowi przekaźników.

8. D3 to dwukierunkowa dioda zabezpieczająca (bidirectional transil), takie dwa szybkie Zenery połączone szeregowo, przeciwsobnie. Powinna być na napięcie większe niz zasilanie np. 1.5KE33CA. To CA na końcu daje "dwukierunkowość" 🙂 Oprócz tego silnikowi przydałby się jednak jakiś kondensator a stykom przekaźników jakaś ochrona przed iskrzeniem bo jednak będą się wypalać chyba, że kontroler będzie w miarę rozsądnie je przełączał - tylko przy zatrzymanych silnikach.

9. Planując taką maszynę to jednak zrobiłbym mostek (mając taki tarnzystor to brakuje Ci już tylko trzech) w pełni półprzewodnikowy. I tak nie będzie miał żadnych sensownych zabezpieczeń tak jak i ten. A może coś gotowego?

http://www.ebay.com/itm/High-Voltage-HV-Speed-Controller-brushed-waterproof-ESC-24V-W-reverse-RC-board-/150779447829

http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__600__182__speed_controllers-hv_esc.html

EDIT: I oczywiście witamy na Forum kolejnego ambitnego konstruktora 🙂

[raster]

Dzięki za szybką odpowiedź.

Ad. 1 - tak miało być zrobione, tylko myślałem że w ten sposób "uproszczę" narysowany schemat. Poprawione.

Ad. 2 i 5 - Zasilanie 24V będzie z dwóch akumulatorów żelowych 12V/10Ah połączonych szeregowo. Więc rozumiem, że to napięcie 12V do drivera MOSFETów może być po prostu wyciągnięte z pierwszego akumulatora z szeregu?

Ad. 3 - dodałem do schematu sterownik MOSFET - MC33152, czy bedzie on OK?

Ad. 4 - poprawione

Ad. 6 - Przetwornica impulsowa będzie konieczna, bo prądy na tym 5V będą prawdopodobnie ponad 1A (sam mikrokomputer pobiera 0,5~0,7A). Ale raczej kupię gotową, wątpię żebym był w stanie zbudować coś czemu sam zaufam. 😉 Natomiast co do filtra RC - miałby być on przed czy po przetwornicy?

Ad. 7 - właśnie o Schottky'ego pytałem 😉 Poprawiłem, przyjąłem diodę 11DQO5PBF

Ad. 8 - wpisałem diodę 1.5KE33CA. Kondensator - powiem szczerze, że nie mam pojęcia jaki wpiąć. Wpisałem 470nF, żeby coś było wpisane. 😉 Co do przełączania kierunku to właśnie tak mam zamiar robić, czyli przełączanie bezprądowe - najpierw programowe zwalnianie poprzez zmniejszanie duty w PWM do zera w czasie nawet do 2s, pauza 0,5s i dopiero wtedy przełączenie kierunku i ruch w drugą stronę. W pewnym sensie i tak muszę to zrobić - przekładnie ślimakowe wbudowane w silnik nie lubią zatrzymywania w miejscu, a takie zwalnianie da mi "efekt bezwładności", że niby "ciężki czołg nie może się zatrzymać".

Ad. 9 - mostka na samych tranzystorach to się trochę boję, na razie za mało wiem o elektronice żeby się porywać na taki temat. Może kiedyś... No chyba że użycie czegoś takiego: HIP4081AIPZ wystarczyłoby żeby tylko podłączyć tranzystory i mieć działający mostek.

Co do zabezpieczeń - generalnie chciałbym mieć ten mostek jak najlepiej zabezpieczony, ale na chwilę obecną nawet nie wiem jakie zabezpieczenia (i przed czym) są potrzebne i możliwe - mogę prosić o podpowiedź?

Gotowych kontrolerów nie chcę, po to to robię żeby się czegoś nauczyć a nie wydać więcej pieniędzy.

Po poprawkach wyszło mi coś takiego:

I oczywiście witamy na Forum kolejnego ambitnego konstruktora 🙂

Wcale nie jestem taki ambitny, wręcz przeciwnie. 😉 Staram się upraszczać sobie robotę gdzie tylko się da, a czołg ma być duży tylko dlatego, że łatwiej mi się pracuje przy dużych elementach i mam pewne doświadczenie z konstrukcjami drewnianymi - meble. Ale mam zamiar się nauczyć paru nowych rzeczy.

[marek1707]

Pobieranie potrzebnego napięcia z odczepu na stosie akumulatorów jest fajne ale niezalecane. Oprócz zalety uproszczenia układu generuje bowiem problem nierównego rozładowywania akumulatorów. Gdyby to było 50mA, to taką różnicę można by jeszcze wrzucić w upływy i naturalne różnice między sztukami baterii ale jeśli chcesz pobierać stale moc kilku Watów to już stworzysz wyraźną nierównowagę obciążeń i będziesz musiał zrobić osobną kontrolę napięć każdej baterii w stosie. Nie będziesz ich mógł też ładować w naturalny sposób - podłączając ładowarkę 24V do jakiegoś gniazda w obudowie czołgu. Hm, czy czołg ma obudowę?

Tak więc projektując system zasilania z szeregowo łączonych ogniw staraj się zakładać, że masz dostępne tylko jedno napięcie - to ze szczytu stosu i do niego dopasowuj resztę.

Wybrany przez Ciebie sterownik bramek jest OK. Będzie pracował z 12V, 1.5A prądu wyjściowego jest dla takiego dużego MOSFETa zupełnie w porządku a gdy zdecydujesz się na wzrost częstotliwości PWM do kHz, bo nie będziesz już wytrzymywał tego buczenia silników, zawsze możesz podpiąć oba kanały drivera równolegle. Jedyna moja uwaga to taka, że nie masz niczego, co wymusi na wejściu stan niski. Tranzystor transoptora podciąga do góry ale o 0V musisz zadbać sam. Opornik kilka kΩ do masy załatwi sprawę. Pewną pułapką jest przy takim słabym sterowaniu wejścia równoległe połączenie kanałów drivera ale to też można rozwiązać.

Filtr wycinający zakłócenia impulsowe oczywiście na wejściu przetwornicy. Rezystor szeregowy policz tak (rezystancja i moc) by spadało na nim przy pełnym obciążeniu jakieś 1-2V. Zapas napięcia i tak masz ogromny (24V→5V). Kondensatory za opornikiem muszą być dobre (low ESR), bo przetwornica obniżająca pobiera prąd wyłącznie impulsowo i to one będą stanowiły jej główne źródło zasilania. Oczywiście im szybszą wybierzesz tym elektrolit może być mniejszy ale ceramiczny 100nF-1uF/50V zawsze w takim układzie być musi. Jeśli kupisz gotową, to zapewne jakieś pojemności będzie na wejściu miała ale trzeba to sprawdzić. Nigdy nie wiadomo na czym oszczędzali.

Zabezpieczenia jakie możesz wbudować są kilku rodzajów:

- "Podnapięciowe" - nie wiem czy jest lepsze jedno słowo, czyli ochrona przed zbyt niskim napięciem sterowania bramki. Sytuacja taka może zajść gdy zajedziesz akumulator ale rozumiem, że sterownik cyfrowy będzie i tak mierzył (koniecznie) główne napięcie z akumulatorów więc reszta zależy od programu. Musisz wbudować ochronę akumulatorów przed kompletnym wyładowaniem a to automatycznie załatwi sprawę ochrony przed zbyt słabym sterowaniem bramki. Zbyt małe napięcie otwierające powoduje wzrost rezystancji kanału Rdson, wzrost mocy strat i usmażenie struktury krzemowej. Twój driver ma takie zabezpieczenie, ale działające dopiero od ok 6V.

- Termiczne - dziś fajne czujniki oddające napięcie proporcjonalne do temperatury kosztują prawie tyle co opornik więc dałbym jeden gdzieś obok tranzystora i nawet z ciekawości mierzył jego warunki pracy. To samo przy silnikach. Takie "oczujnikowanie" newralgicznych miejsc bardzo się przydaje a nie kosztuje wiele. Wykresy temperatury uzupełnione o aktualne wysterowanie silnika i prąd mogą wiele powiedzieć o warunkach pracy napędu i pokazać co poprawić w następnej konstrukcji.

- Prądowe - w źródło MOSFETa możesz wstawić mały (w sensie rezystancji) opornik a napięcie na nim, po wzmocnieniu i uśrednieniu będzie analogiem energii dostarczanej do silnika. To też możesz mierzyć, zapamiętywać a także zrobić próg po przekroczeniu którego sterownik uzna, że coś złego stało się z silnikami (zwarcie? blokada mechaniczna? itp).

Mimo motywu z meblami wydaje mi się, że rozumiesz co robisz w elektronice a to jest naprawdę dobrym rokowaniem na przyszłość. Powodzenia.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[raster]

Dzięki, że masz cierpliwość mi tłumaczyć. 🙂

Napięcie robocze 12V, skoro mój pomysł z wyciągnięciem z pierwszego akumulatora okazał się zupełnie nietrafiony, to zrobiłem inaczej. Najpierw spróbowałem tak jak sugerowałeś - dioda zenera+opór, policzyłem, a potem doszedłem do wniosku że skoro ten opór trzeba liczyć od nowa przy każdej większej zmianie poboru, to wstawię tam po prostu liniowy stabilizator 78S12 z dwoma kondensatorami (470nF i 100nF) - przy szacowanym maksymalnym prądzie 0,1A aż tak bardzo grzać się nie będzie (max 18V spadku *0,1A=1,8W, mały radiatorek i będzie OK).

Rezystor "pull-down" (jak to jest po polsku?) dla drivera mosfetów dodałem 4k7 i chyba na tym trzeba zakończyć temat mostka, przynajmniej do czasu aż kupię elementy, zmontuję go i przetestuję. ::

Natomiast co do pozostałych tematów, które się przewinęły:

Zacząłem sprawdzać gotowe przetwornice zgodnie z Twoją radą - jakie mają pojemności na wejściu - i okazuje się że gotowe przetwornice są zbudowane dokładnie wg schematu z karty układu LM2576-5, więc raczej złożę taką samą przetwornicę wg tego samego schematu zamiast kupować gotową.

Co do zabezpieczeń, to na razie zrobię je w wersji prostszej, bo mi trochę wiedzy nie starczyło.

Zabezpieczeniem prądowym na razie będzie zwykły bezpiecznik 10A, dopóki nie nauczę się trochę więcej, żeby zrobić to "uśrednianie napięcia", o którym piszesz.

Natomiast jeśli chodzi o sprawdzanie napięcia na akumulatorach - na razie wymiękłem próbując wymyślić układ dla liniowego transoptora IL300. Nie zrobię pełnego pomiaru na wejściu analogowym dopóki się nie douczę, bo koniecznie chcę izolację optyczną. A na razie musi starczyć układzik zbudowany wg tematu o mierzeniu napięcia na akumulatorach:

Wydaje mi się, 😉 że dobrze go policzyłem. Ma on zmierzyć kiedy napięcie spadnie do 23V (wg charakterystyki akumulatora punkt połowicznego rozładowania) i dać znać na komputer, oraz drugi różniący się tylko dolną opornością dzielnika napięć, który zmierzy 21V (90%, sygnał natychmiastowego wyhamowania i wyłączenia silników).

Dzięki za pomoc i pozdrawiam. 🙂