Budowa mostka H z tranzystorów MOS-FET

[marek1707]

Drivery bramek to układy wytrzymujące zwykle coś ok. 20V, bo takie maks. napięcia można zapodawać na bramki tranzystorów. Układy te muszą umieć szybko przeładowywać pojemności a to wiąże się z przepływem dużych prądów. Na szczęście proces ładowania bramki jest (a przynajmniej powinien być) krótki w stosunku do okresu pracy PWM więc i średnia moc strat w układzie drivera nie jest jakaś kosmiczna i obudowy mogą być małe i plastikowe. Mimo gwarantowanej przez producenta wydajności rzędu kilku A (ten Twój MCP1403 ma chyba ponad 4A), taki prąd można ciągnąć tylko np. przez 1% całkowitego czasu (więc silnika tym nie napędzisz). Za to szyna zasilania takiego scalaka powinna być bardzo dobrze zablokowana szybkimi kondensatorami. Żaden stabilizator nie zapewni pokrycia nagłego wzrostu zapotrzebowania z 5mA do 4A w czasie 10ns. Takie rzeczy umieją tylko ceramiczne kondensatory MLCC. Tak więc jeżeli masz tam jakiś akumulator (jaki?), to mostek i drivery napędzasz prosto z niego. Wszelkie elementy po drodze tylko zmniejszają sprawność. Oczywiście czasem trzeba dodać jakiś dławik RF itp, ale walka z zakłóceniami to już siła wyższa. W każdym razie zanim jakikolwiek układ wrysujesz na schemat warto zapoznać się z jego podstawowymi danymi, zaleceniami aplikacyjnymi, oraz zrozumieć co on właściwie będzie robił i w jaki sposób.

[marcin123123]

Poniżej poprawiona tabela:

Stan                                   Q1    Q2    Q3    Q4 
Lewo pwm=0                            Off    On    Off   On 
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 

Mam akumulator aktualnie tylko Li-Pol 7.4V, więc puki co mostek będzie się marnował, jednak w przyszłości kupię 11.1V też Li-Pol.

[marek1707]

Świetnie 🙂

Teraz na pewno patrzysz na tabelkę i próbujesz zauważyć prawidłowości. Nie będziemy tu rysować tablic Karnaugh'a ani wdrażać innych metod minimalizacji funkcji logicznych - poczytasz o tym sam.

Już na pierwszy rzut oka widać, że w czasie normalnej pracy musisz podawać przebieg PWM na odpowiednią parę tranzystorów: górny złączać gdy PWM=1 a dolny gdy PWM=0. Co ciekawe stan aktywnego hamowania nie różni się niczym od stanu normalnej pracy gdy PWM=0 (trzy wiersze tabelki są takie same!). Pozwolę sobie teraz skorzystać z layoutu Twojej tabelki. Zapominając o stanach on/off tranzystorów i zajmując się wejściami driverów mamy więc:

Wejście drivera                       Q1 Q2 Q3 Q4 
Lewo pwm=0                            0  1  0  1
Lewo pwm=1                            1  0  0  1
Prawo pwm=0                           0  1  0  1
Prawo pwm=1                           0  1  1  0
Obroty swobodne                       0  0  0  0
Hamowanie                             0  1  0  1

Do realizacji takiej funkcji możesz użyć wielu różnych bramek i mnóstwa ich wzajemnych konfiguracji. Jeżeli nigdy nie robiłeś prostych układów kombinacyjnych, to będzie dobre ćwiczenie 🙂

Obserwując jedynki w powyższej tabelce zastanów się kiedy każdy tranzystor jest załączany, od jakich sygnałów zależy a od jakich nie. Acha, sygnałów - właśnie. Mówiliśmy już o tym, ale nie zaszkodzi wspomnieć raz jeszcze. Masz zatem trzy sygnały wejściowe: PWM (wiadomo), DIR (kierunek, przyporządkowanie prawo-lewo dowolne) i EN (niech stan zero oznacza wyłączenie wszystkich tranzystorów). To tylko propozycja - polaryzacje można zmienić, ale od czegoś trzeba zacząć. Tak więc masz 3 sygnały czyli 8 kombinacji wejściowych oraz 4 sygnały wyjściowe. Rozpisz to sobie w formie tabelki 8 wierszy x 4 kolumny. Do roboty 🙂

[marcin123123]

PWM      DIR      EN     WYJŚCIE
1        1        1       1001
1        0        1       0110
0        1        1       0101
0        0        1       0101
0        0        0       0000
0        1        0       0000
1        0        0       0000
1        1        0       0000

Lewo to DIR=1, a prawo to DIR=0. Nie wiem, czy aby na pewno to o to chodziło?

[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

[marek1707]

Tak, można to teraz trochę inaczej poukładać i rozpisać na każde wyjście osobno.

Przykładowo dla tranzystora Q1 (górny lewy w mostku):

PWM      DIR      EN       Q1
1        1        1       1
0        1        1       0
1        0        1       0
0        0        1       0
0        0        0       0
1        0        0       0
0        1        0       0
1        1        0       0

Widać wyraźnie, że wystarczy wykryć sytuację gdy PWM & DIR & EN = 1. To robi prosta bramka AND.

Równie prosto jest dla Q3 (górny prawy w mostku):

PWM      DIR      EN       Q3
1        1        1       0
0        1        1       0
1        0        1       1
0        0        1       0
0        0        0       0
1        0        0       0
0        1        0       0
1        1        0       0

Teraz trzeba wykryć sytuację gdy PWM & ~DIR & EN = 1. To też robi prosta bramka AND, ale musi dostać odwrócony DIR.

Oba dolne tranzystory załączają się częściej:

PWM      DIR      EN       Q2
1        1        1       1
0        1        1       0
1        0        1       1
0        0        1       1
0        0        0       0
1        0        0       0
0        1        0       0
1        1        0       0

PWM      DIR      EN       Q4
1        1        1       1
0        1        1       1
1        0        1       0
0        0        1       1
0        0        0       0
1        0        0       0
0        1        0       0
1        1        0       0

Tutaj, żeby nie rozbudowywać sieci warto użyć kilku poziomów dekodowania. Np. możesz sobie najpierw wygenerować sygnały DIR & EN oraz ~DIR & EN. Potem odpowiednio AND-ując to z PWM lub ~PWM otrzymasz wszystko czego potrzebujesz. Generalnie rozpisanie tego na równania logiczne jest proste, ale realizacja tego "wprost" jest niepraktyczna. Trzeba skorzystać z dostępnych w rodzinie 74xx bramek i bardziej skomplikowanych układów. Przykładowo widząc, że sygnał EN wycina w pień całą aktywność wyjść, możesz użyć dekodera 74HC139. Ma trzy wejścia - z tego dwa adresowe i jedno /EN i cztery wyjścia aktywne w stanach niskich. Jeżeli pogodzisz się z tym, że linia EN z procesora będzie aktywna w stanie niskim, to masz zrobione dekodowanie 4 pozostałych kombinacji PWM/DIR. Biorą wprost odpowiednie wyjście dekodera (dla górnych tranzystorów) oraz sumując pozostałe ze sobą (dla dolnych) masz zrobioną całą logikę. Ponieważ wyjścia dekodera są zanegowane - do sumowania takich sygnałów używasz bramek AND nie OR. Trójwejściowe ANDy (a takie będą tu potrzebne) to 74HC10. Tak więc jeśli niczego nie pokręciłem, to jedna kostka podwójnego dekodera 74HC139 i dwie kostki bramek AND 74HC10 obsłużą oba mostki 🙂

Poćwicz trochę z tą logiką, popatrz jakie układy masz dostępne w serii 74xx i na pewno wymyślisz coś lepszego. Przykład rozwiązania z dekoderem narysowałem na szybko w załączniku:

[marcin123123]

Więc tak, puki co pozwoliłem sobie skopiować rozwiązanie z dekoderem do swojego schematu, nie wiem w jaki inny sposób to rozwiązać, ale jeszcze popróbuję. Poniżej zamieszczam nowy schemat, dodałem też trochę kondensatorów blokujących. Na co trzeba jeszcze uważać w takim układzie oprócz przebić?

sch.pdf

[marek1707]

No właśnie, rysowanie na szybko (szczególnie w pracy) ma swoje wady...

Pokręciłem coś w tabelce dot. Q2. Powinna wyglądać tak:

PWM      DIR      EN       Q2 
1        1        1       0 
0        1        1       1 
1        0        1       1
0        0        1       1 
0        0        0       0 
1        0        0       0 
0        1        0       0 
1        1        0       0 

a więc i schemat powinien być inny:

Niepotrzebnie wrysowałeś to do siebie. Wcale nie powiedziałem, że to koniec pracy. Zadania na wieczór:

1. Zweryfikuj jeszcze raz, dokładnie działanie powyższego układu bo mogłem jeszcze jakieś kwiatki nasadzić.

2. Zastanów się co się dzieje z tranzystorami gdy w czasie normalnej pracy podajesz PWM i przełączasz dwa z jednej pary. Czy jest szansa, że będą przewodzić oba na raz przy założeniu, że nie zmieniają swojego stanu w czasie zerowym?

EDIT: I może zaproponuj jakieś rozwiązanie tego problemu.

[marcin123123]

Pomysł co do pytania drugiego:

Możliwe jest, że oba tranzystory będą przewodzić w tym samym czasie, a spowodowane jest to tym, że gdy jeden tranzystor z pary przewodzi i nastąpi przełączenie na drugi tranzystor, to możliwe jest, że pojemność bramki pierwszego tranzystora nie będzie jeszcze całkowicie przeładowana, a co za tym idzie oba tranzystory mogą w tym krótkim czasie być włączone. Tak myślę, że pewnie da się to zrobić jakimś układem opóźniającym sygnał, który dawałby nam ten "czas martwy" mostka? Może przerzutnik monostabilny?

[marek1707]

Właśnie, do układu sterowania trzeba jeszcze dodać opóźnienia po to, by nie zmuszać tranzystorów do walki ze sobą nawzajem. Poza tym takie krótkie, ale bardzo wysokie szpilki prądu płynące wprost z szyny zasilania do masy produkują mnóstwo zakłóceń.

Niestety musimy wpływać na załączanie wszystkich tranzystorów, a więc układ opóźniający musi się znaleźć na wejściu każdego drivera. Jeżeli dany kanał jest załączany stanem wysokim, trzeba opóźniać zbocze narastające a jeśli niskim - opadające. Do tego nie musimy zaprzęgać przerzutnika monostabilnego w sensie osobnego scalaka. Wystarczy, że na drodze sygnału znajdzie się niesymetrycznie opóźniający układ RC, np taki:

Stała czasowa (a więc opóźnienie) tego układu zależy od iloczynu R*C. Dzięki diodzie narastające zbocze musi "przejść" przez R1 i opóźnienie jest duże (tutaj ok. 0.5us). Zbocze opadające otwiera D1 i ta rozładowuje C1 bardzo szybko - opóźnienie jest małe. Taki układzik można więc wstawić tam, gdzie otwieramy tranzystor stanem wysokim. W przeciwnym razie musimy diodę odwrócić i mamy opóźnienie zbocza opadającego. Wadą tego rozwiązania jest to, że wejścia driverów "widzą" powolne zbocza sygnałów związane z przeładowywaniem kondensatorów. Na szczęście drivery bramek są projektowane tak, by były odporne na naprawdę ciężkie warunki, gdzie wolne zbocza nie są największym problemem. Zawsze jednak warto sprawdzić, czy ten wybrany ma na wejściu przerzutnik Schmitta czyli bufor z histerezą.

To wszystko co tutaj wymyślamy a więc dekodowanie sygnałów, odpowiednie sterowanie tranzystorów i wprowadzanie czasów martwych robi prawie każdy scalony mostek. Jak rozumiem Ty nie możesz go użyć, bo zadanie polega na wykorzystaniu tranzystorów dyskretnych, czy tak?

Pytałeś o innych rzeczach na które trzeba zwrócić uwagę. O tym następnym razem, gdy już pokażesz (prawie) kompletny schemat 🙂

[marcin123123]

Poniżej zamieszczam schemat. Ten MCP1404 ma na wejściu przerzutnik Schmitta, więc będzie ok. Układ zgodnie z tym co pisałem na początku, ma składać się z elementów dyskretnych, scalone sterowniki odpadają 🙂

hbrdg.pdf

[marek1707]

Dlaczego włączyłeś to ZA driverami??? Przecież tworzymy sygnały logiczne, które po odpowiednim ukształtowaniu doprowadzone mają być do ich WEJŚĆ. Po co miałbym wspominać o Schmittach?

To co dzieje się między wyjściami driverów a tranzystorami to osobna sprawa.

Dawaj kolejny schemat. Nie wstawiaj przypadkowych elementów o których nic nie wiesz. Jeśli ma być 74HC to niech taki będzie. Seria 74AC to coś zupełnie innego. Nie mieszaj tego i jeśli naprawdę nie masz wyraźnych powodów, nie używaj jej. Dlaczego 74ALS10? Jeśli nie możesz kupić w ulubionym sklepie bramek 74HC10, spróbuj przerysować to na 74HC20 - dwie w jednej obudowie też wystarczą.

[marcin123123]

Mam nadzieję, że niczego nie pomieszałem, bo trochę późny już wieczór.

EDIT: Dopiero teraz zauważyłem, te układy poza ramkami na schemacie to "efekt uboczny".

nwsch.pdf

[marek1707]

Teraz znacznie lepiej 🙂

Przydadzą się jeszcze rezystory ustalające stany nieaktywne na wejściach dekodera w przypadku gdyby komuś przyszło do głowy włączyć układ bez sterowania: podciągający z 10k na /EN oraz dwa do masy na A i B.

Na złączu H1 dałbym masę albo i ze dwie - jaka będzie konfiguracja zasilania całego systemu? Chodzi mi o płytkę procesora(?), mostki, zasilacz itp. Przemyśl prowadzenie mas i zasilań. O tego zależy co na których złączach będzie.

Rezystory R1-R4 są teraz niepotrzebne - wyjścia dekodera i bramek są zawsze aktywne.

Na szynie Vcc brakuje pojemności. Musisz tam mieć jakiś elektrolit 100-470uF i ceramiczne 1-10uF i 100nF . Możesz spokojnie wywalić elektrolit z wejścia DC_INPUT. Cały prąd impulsowy będzie czerpany z kondensatorów dołączonych bezpośrednio do szyny Vcc.

Rzeczywiście późno, jutro pogadamy o tranzystorach.

[marcin123123]

Więc tak, układ połączony będzie na pewno z pakietem Li-Pol oraz przez jakiś stabilizator z procesorem. Wyprowadziłem na razie tylko jedną masę ze złącza H1, bo chyba tyle wystarczy w takim przypadku? Poniżej schemat.

proj.pdf

[marek1707]

O ile pamiętam, to miały być dwa mostki. Czy na jednej płytce? Najlepiej gdybyś narysował to w postaci bloczków symbolizujących osobne płytki, połączonych masami i opisanymi zasilaniami (+5V, +8V itp) a także symbolicznie wiązkami sygnałowymi (bez szczegółów każdego sygnału). Wtedy widać gdzie wchodzi główne zasilanie, gdzie powinien być umieszczony stabilizator, jak rozpływają się prądy po zasilaniach i przede wszystkim jakie jest obciążenie poszczególnych kabli masy. Z tego dopiero widać jakie i ile kontaktów jest potrzebnych na złączach, jakich przewodów musisz użyć oraz jaka konfiguracja wzajemnych połączeń będzie optymalna.

Jeżeli Twój mostek ma pracować od 5 do 12V, to przy tak prostym sposobie sterowania (bramki są napędzane tylko z Vcc/GND) musisz użyć tranzystorów, które bardzo dobrze załączają się już przy najniższym planowanym zasilaniu. O ile znalezienie takich NMOSów jest w miarę łatwe, o tyle z P trzeba już powybrzydzać. Dodatkowym ograniczeniem jest dopuszczalne napięcie bramki. Wiele tranzystrów ma ±20V ale trzeba uważać, bo niektóre wytrzymują tylko 10V a mostek ma pracować do 12V zasilania. Ty wstawiłeś IRF5210. Jeśli popatrzysz na jego dane, to 5V jest napięciem przy którym dopiero budzi się on do życia. Z kolei skoro planujesz prąd w okolicach 2A, nie potrzebujesz elementów w obudowach TO220 umiejących odprowadzać 100W ciepła. Tobie wystarczą tranzystorki w SO8. Coś wytrzymującego 30V i kilka A, np. to:

http://www.tme.eu/pl/details/irf9333pbf/tranzystory-z-kanalem-p-smd/international-rectifier/#

albo wręcz podwójny N-P w jednej obudowie:

http://www.tme.eu/pl/details/auirf7319qtr/tranzystory-multikanalowe/international-rectifier/#

Ponieważ drivery mają ogromną wydajność prądową i są bardzo szybkie, gwałtowne zmiany prądu w ścieżkach powodują, że uwidaczniają się nawet minimalne indukcyjności pasożytnicze. Skutkuje to "dzwonami" napięcia i dodatkowo generowanymi zakłóceniami podczas stanów przejściowych tranzystorów. Aby zmniejszyć dobroć takich niechcianych obwodów rezonansowych wstawia się szeregowo z bramkami rezystory. Nie mogą być za duże, bo istotnie ograniczają prąd bramki (i stawiają pod znakiem zapytania stosowanie potężnych driverów) ani za małe, bo wtedy niewiele poprawiają. Tutaj, z uwagi na nieduże prądy mostka wartości rzędu 10-33Ω będą w sam raz.

To chyba tyle. Napisz jakie tranzystory dobrałeś no i pokaż schemat w wersji docelowej. Acha, ta sama uwaga dot. napięcia załączania odnosi się także do tranzystora w zabezpieczeniu szyny zasilania.