Budowa mostka H z tranzystorów MOS-FET

[marcin123123]

Witam wszystkich po raz pierwszy!

Mam do oddania projekt na zaliczenie, chcę zrobić podwójny mostek H do sterowania silnikami małej mocy (np. jakiegoś robota typu sumo). Wiem, że to wszystko można załatwić jednym układem scalonym, ale warunkiem jest wykorzystanie pojedynczych tranzystorów MOS-FET. Moim problemem jest rozmieszczenie elementów na płytce PCB (robię to pierwszy raz tak na poważnie). Nie wiem w którą stronę orientować stronę radiatora tranzystorów oraz stabilizatora. Proszę też o porady co do poprawności schematu, chociaż wydaje mi się, że jest poprawny (ale czy nie "laurkowaty"?). Ostatnie pytanie, to czy element o obudowie TO220AB będzie pasował do otworów wykonanych pod obudowę TO220BV? Zamieszczam poniżej pliki z Eagle i proszę o jak najszybsze odpowiedzi 🙂

Nie wiem czy umieściłem temat w odpowiednim dziale, jeżeli nie to proszę o przeniesienie.

schemat, witam na forum!.pdf

proj.pdf

[marek1707]

Aleś chłopie wymyślił.. Ponieważ schemat nie jest typowy, koniecznie opisz co to ma robić i dlaczego użyłeś tak dziwnej konfiguracji. Być może masz w tym jakieś swoje cele. Opisz działanie wejść i wytłumacz dokładnie jak mostek będzie działał w każdym trybie (stop, lewo, prawo itd) i dlaczego te albo inne tranzystory będą załączane. Opisz też jakich osiągów oczekujesz - prądy, napięcia, moce. Bez tego trudno coś oceniać bo nie wiemy czy to spełnia Twoje założenia.

[marcin123123]

Wiec tak, mostek ma umożliwić sterowanie silnikami DC poprzez zmianę kierunku obrotów (lewo, prawo), tryb obrotów swobodnych oraz hamowanie, które jest domyślnie ustawione poprzez podciągniecie wejść driver-a MOSFET do masy. Tranzystory Q5 i Q10 maja służyć do kontroli PWM. Przykładowo, obroty w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara otrzymuje się przez podanie 0 logicznego z mikrokontrolera na pin nr 4 układu IC1 (MCP1403 - sterownik nieodwracający), 1 logicznej na pin nr 2 tego samego układu oraz 1 logicznej na pin nr 4 układu IC3. Obroty swobodne miałyby być uzyskiwane poprzez odłączenie mostka od masy, czyli tutaj podanie 0 logicznego na pin nr 4 układu IC3. Chciałbym, żeby mostek sterował silnikami o prądzie zwarcia do 2A przy napięciu zasilania do 10V. Przepraszam z góry za może mało czytelny opis problemu.

[marek1707]

No tak, ale poświęciłeś wydajność (sprawność) kosztem wątpliwej prostoty sterowania. Piąty tranzystor jest zupełnie zbędny. Inaczej załączając podstawowe cztery możesz mieć modulację szybkości w obie strony, hamowanie i wybieg luzem.. Popatrz jak to się robi np. tutaj:

https://www.sparkfun.com/datasheets/Robotics/TB6612FNG.pdf

W rozdziale H-SW Operating Description (str. 4) masz rozrysowane schematy załączeń w poszczególnych stanach mostka. Zrób tak damo - to proste. Wystarczą tylko dwa podwójne drivery nieodwracające i podpinanie sygnałów do odpowiednich wejść. Jeśli masz procesor z dwoma wyjściami z każdego generatora PWM to już w ogóle nie ma problemu. Jeśli masz tylko jedno wyjście PWM na każdy silnik, dodaj proste bramki żeby kierować PWM do odpowiedniego wejścia drivera.

[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

[marcin123123]

Ok, zmienie w takim razie koncepcje co do sterowania. Nie rozumiem tylko w jaki sposob i jakie bramki zastosowac, by uzywac tylko po jednym kanale PWM na silnik. Pozostaje tez pytanie: czy element o obudowie TO220AB będzie pasował do otworów wykonanych pod obudowę TO220BV? Jaka musi byc orientacja radiatora danego tranzystora czy stabilizatora napiecia na plytce PCB? Czy radiator stabilizatora moze byc zwrocony zeberkami w strone kondensatora elektrolitycznego? Nie spowoduje to zadnych uszkodzen?

[marek1707]

Najpierw ustal jakie stany mostka są Ci naprawdę potrzebne. Lewe i prawe obroty z PWM to oczywiste, ale już czy hamowanie: ma być tylko na sztywno czy także modulowane PWM 0-100%? To samo z biegiem luzem.

Kolejna sprawa to sposób komutacji tranzystorów podczas normalnej pracy PWM: czy na sztywno (jak w scalaku 6612) czy na miękko (jedna strona mostka na stałe do plusa a druga strona tylko podaje masę w takt PWM).

Mając już wszystkie potrzebne stany mostka wymyśl jakimi sygnałami chciałbyś je osiągać. Sygnał PWM jest pewny, ale do tego możesz dodać np. kierunek plus jeden-dwa druty określające żądany stan mostka. Z drugiej strony masz 4 wejścia driverów. No to teraz wymyśl układ kombinacyjny, który będzie zamieniał sygnały procesora na wysterowania tranzystorów. Pamiętaj, że drivery mogą być proste, odwracające i pół-na-pół - dobierz takie by układ logiczny był jak na najprostszy. Bramki logiczne możesz mieć po 4 takie same w jednej obudowie lub po jednej - no ale tego to już chyba tłumaczyć nie muszę, to podstawy projektowania.

Niektóre drivery mają wbudowane wstawianie czasu martwego (t2 i t4 na wykresie pracy mostka 6612, str 4). To ważne, więc pomyśl o tym. Możesz to zrobić samodzielnie przez rozsuwanie momentów załączeń tranzystorów w projektowanym układzie kombinacyjnym (dodatkowe opóźnienia) albo wziąć gotowy driver mający to "w pakiecie".

EDIT: Acha, jeszcze te obudowy. Trochę naiwne pytanie. Nikt Ci takiej odpowiedz nie da, bo o ile TO220 jest jakimś standardem, to literki na końcu zależą od firmy. Po prostu znajdź (lub pokaż) rysunki obudów tych konkretnych elementów i porównaj. Ogólne wymiary i położenie otworu raczej się nie zmieniają, ale już grubość obudowy, grubość radiatora czy liczba nóżek to i owszem.

Radiator ma odprowadzać ciepło. Ułóż/ustaw go na płytce tak, by w pewnym jej konkretnym położeniu i mocowaniu powietrze mogło opływać swobodnie radiator nie przenosząc ciepła do czułych elementów - takich właśnie jak elektrolity. Po prostu przemyśl promieniowanie, konwekcję, no wiadomo - typowe drogi transportu ciepła. Nie ma sztywnych reguł, sam musisz znaleźć optimum.

[marcin123123]

Dziekuje za dotychczasowe odpowiedzi.

Potrzebne mi sa obroty mostka lewo/prawo z kontrola PWM oraz hamowanie i luzne obroty bez kontroli PWM. Komutacja tranzystorów niech bedzie sztywna, tak jak w tamtym scalonym mostku. Przerobilem schemat, jednak dalej nie wiem jak sterowac PWM za pomoca tego sterownika MCP1404. Rozumiem, ze na kolejne wejscia podaje sygnal 1/0, ale gdzie podawac PWM do ukladu i jak go z niego "wyprowadzic"? Jak to dziala?

schemat_najnowszy.pdf

[marek1707]

Ojej, kiepsko 🙁 To praca zaliczeniowa w technikum czy już na uczelni? Jaki temat masz zaliczyć skoro nie potrafisz sklecić paru bramek???

Jeśli zrobiłeś jak napisałem poprzednio, to z pewnością powstała tabelka w której masz rozpisane w jakim stanie mostka które tranzystory mają być włączone. Pokaż ją.

Acha, nie rysuj dwóch mostków. Poprawiaj i zamieszczaj tu schemat jednego - tak będzie szybciej i prościej. Wierzymy, że drugi zrobisz identycznie.

Nie możesz tak sterować tranzystorów. Zwieranie bramek P- i N-MOSa stojących w jednej kolumnie (totem-pole) jest dobre na poglądowych schematach bramek CMOS, ale nie w rzeczywistości. Wyobraź sobie sytuację w której na połączonych bramkach jest np. 0V. Załączasz driver i ten próbuje zmienić napięcie. Bramki są dużą pojemnością więc napięcie rośnie tylko trochę, do momentu aż zaczyna przewodzić dolny tranzystor. Tutaj zatrzymuje się na dłużej (efekt "półki") i dopiero gdy dolny MOSFET będzie całkowicie otwarty, zacznie rosnąć dalej. W tym czasie górny jest oczywiście włączony więc prąd z zasilania płynie wprost przez oba tranzystory. Dopóki górny się nie zamknie (znowu "półka" przy wyłączaniu) mamy prąd zwarciowy kilkadziesiąt Amperów? Tak miało być? Chyba nie. No to teraz już wiesz dlaczego mostek 6612 ma czasy martwe t2 i t4 i dlaczego Ty musisz zrobić to samo a przynajmniej wiedzieć o co tu chodzi.

Do każdej bramki doprowadź osobny sygnał z drivera. Tak więc w jednym mostku masz 4 tranzystory, 4 bramki i 4 wejścia driverów. Dawaj tabelkę. W pierwszej kolumnie ma być nazwa stanu mostka (lewo z PWM=0, lewo z PWM=1, prawo z PWM=0 itd), w drugiej wyszczególnienie stanu wszystkich 4 tranzystorów. Potem nad tym usiądź i zastanów się chwilę - może coś Ci zaświta i znajdziesz jakieś prawidłowości. Jeśli nie, pisz następnego posta. Z wypełnioną tabelką.

[marcin123123]

Wypelniona tabelka w zalaczniku. Czy dobrze?

Nowy Dokument programu Microsoft Word (2).docx

[marek1707]

Jeżeli odnosi się do ostatniego schematu, to moim zdaniem jest źle. Mostek jest symetryczny a tranzystory NMOS sa lepsze niż P. Weź zajrzyj do schematu komutacji fabrycznego mostka który wskazałem. Przecież nie zrobili tego w przedszkolu tylko w Toshibie. Masz dobry wzór. Masz narysowane czarno na białym. Masz tylko to powtórzyć. Załącz na stałe dolny tranzystor a wachluj przeciwległą parą. W prawo i w lewo mają być symetryczne.

Gdzie jest pozycja hamowanie?

Acha, i nie zapodawaj tu jakichś docx-ów tylko wrzucaj w tagi np. CODE.

[marcin123123]

Stan 	                        Q1	Q2	Q3	Q4
Lewo	                        On 	Off	Off	On
Prawo 	                      Off	On	On	Off
Obroty swobodne                 Off	Off	Off	On
Hamowanie	                    Off	On	Off	On

Poniżej zamieszczam poprawiony schemat (myślę, że w końcu będzie OK). Teraz tabelka powinna być dobrze, ale dalej nie wiem jak z tym PWM, No bo tak: muszę mieć do każdego układu poprowadzoną linie wejściową sterującą, na której mają pojawiać się sztywne stany logiczne 1/0 z mikrokontrolera, dzięki czemu mogę osiągnąć obroty lewo/prawo, hamowanie i obroty swobodne. Jednak przecież do kontroli PWM muszę mieć dodatkowo jakieś osobne wejście do układu sterownika odwracającego pochodzące z timera sprzętowego procesora. Chyba, że się mylę i można bezpośrednio z PWM-a mikrokontrolera od razu podłączyć linie sterujące prowadzące do tych sterowników? Przepraszam za braki w mojej wiedzy, niestety dopiero niedawno w ogóle odkryłem swoje zainteresowanie elektroniką i ciągle uczę się podstaw 😐

sch.pdf

[marek1707]

No ale to jedno przeczy drugiemu. W tabelce masz pozycję, gdzie Q1 jest Off i Q2 jest Off a przecież nie osiągniesz tego sterując je w sposób jaki pokazałeś. Musisz mieć możliwość osobnego sterowania każdym tranzystorem mostka. Przecież teraz logicznie niczego nie zmieniłeś. Co z tego, że bramki rozwarłeś skoro na wejściach drivera są sterowane tymi samymi sygnałami? Pisałem o 4 tranzystorach (jest OK), 4 driverach (też OK) i 4 sygnałach sterujących (a masz tylko 2). Po to zrobiłeś tabelkę, aby zorientować się jaki sygnał doprowadzić do każdego z 4 driverów w każdym stanie mostka i każdym z dwóch stanów sygnału PWM.

Jest już nieźle, ale wiersze Prawo i Lewo rozpisz każdy na dwa: w jednym PWM=0 i w drugim PWM=1. Pozostałych nie musisz, bo tam stan PWM jest nieważny, tak?

Po co w stanie swobodnego wybiegu masz Q4=On?

I jeszcze jedno: każdy układ jest projektowany dla pewnych warunków pracy. Jeżeli chcesz swój mostek zasilać z 5V (dlaczego przez stabilizator 1A??) to mamy do czynienia z projektem dość niskonapięciowym a jeśli dodatkowo ograniczysz prąd do 2A to też i niskomocowym. Takie coś można optymalizować np. wycinając drivery bramek i zastępując je czymś prostszym, ale z kolei niskie napięcie może wymusić zastosowanie dużo lepszych tranzystorów. Jak rozumiem na razie podchodzimy teoretycznie i wciąż założenie zasilania do 10V jest w mocy?

Rozbuduj tabelkę i rozepnij wejścia driverów. Potrzebujesz 4 osobnych sygnałów wejściowych do driverów.

Od strony procesora do Twojego układu logicznego będzie wchodził 1 sygnał PWM i min. 2 sygnały cyfrowe. Dzięki dwóm liniom możesz rozróżnić 4 stany a to jest tyle ile potrzebujesz. Czego tu nie rozumiesz?

[marcin123123]

Stan                                   Q1    Q2    Q3    Q4 
Lewo pwm=0                            On     Off   On    Off 
Lewo pwm=1                            On     Off   Off   On
Prawo pwm=0                           Off    On    Off   On  
Prawo pwm=1                           Off    On    On    Off 
Obroty swobodne                       Off    Off   Off   Off 
Hamowanie                             Off    On    Off   On 

Docelowo chciałem w miejsce 7805 wstawić jakiś stabilizator o niskim spadku napięcia, a te można dostać już z większym dopuszczalnym prądem. I tak, założone napięcie zasilania 10V jest nadal aktualne.

EDIT: Jeżeli to co napisałem wyżej jest OK, to pozostaje problem zbramkowania sygnałów PWM, żeby mieć je tylko dwa, tak? W takim razie można zastosować demultiplekser rozdzielający dwa sygnały PWM na cztery wyjścia?

schempr.pdf

[marek1707]

Acha, czyli chcesz sterować kierunkiem obrotów przez stałe załączanie Q1 lub Q2 a zmianę prędkości obrotowej przez wachlowanie parą Q3/Q4. Pomysł niezły, ale ma dwie wady:

1. Tranzystory PMOS są gorsze niż NMOS, tak więc o ile "w prawo" cały prąd silnika będzie płynął przez Q2 (dobrze), o tyle "w lewo" wszystko będzie płynęło przez Q1 (źle).

2. Zmiana kierunku obrotów wykonywana zwykle podczas zatrzymania silnika (czyli gdy PWM=0%) będzie wymagała zmiany stanu przewodzenia Q1 z Q2 i jednoczesnego odwrócenia polaryzacji sygnału PWM lub takiej zmiany zaprogramowania jego generatora, by zamiast 0% dawał teraz 100% apotem stopniowo zmniejszał wypełnienie w miarę rozkręcania silnika. Porównaj wiersze tabelki "prawo" z "lewo" przy PWM=0. Musisz zmienić stan wszystkich 4 tranzystorów. Narysuje to sobie i przemyśl.

Obie wady możesz jednocześnie wyeliminować za pomocą prostego chwytu: wykorzystaj symetrię mostka. Jeżeli "w prawo" załączasz Q2 a PWM-ujesz 🙂 parę Q3/Q4 to "w lewo" załącz Q4 a machaj parą Q1/Q2. Wtedy w maksymalnym stopniu korzystasz z tranzystorów NMOS i zmniejszasz straty.

Oczywiście multipleksery cyfrowe są czasem wykorzystywane do realizacji pewnych - szczególnie nieregularnych - funkcji logicznych ale wciąż mam nadzieję, że nie będą tu konieczne.

Zrób nową tabelkę z symetrycznym sterowaniem mostka. Naprawdę nieźle Ci idzie. Dopóki nie masz jasno przedstawionego celu (sygnałów wyjściowych dla driverów) nie przejmuj się żadnym "bramkowaniem".

Moje pytanie o stabilizator dotyczyło raczej w ogóle sensu jego stosowania. Mógłbyś jakoś wytłumaczyć po co na wejściu regulatora impulsowego jakim jest mostek H obciążony silnikiem wstawiasz liniowy regulator napięcia?

[marcin123123]

Narazie na szybko odpowiem na ostatnie pytanie. Wydawało mi się, że te układy driverów MOS-FETów muszą być zasilane z źródła napięcia stabilizowanego, ale widocznie się mylę.. Jeżeli więc nie trzeba stabilizatora, to cały układ można po prostu 'potraktować' napięciem prosto z akumulatorka.