Mostek H ze sterowaniem PWM(arduino)na mosfetach i zabezpieczenia

[sebegg]

Cześć mam wykonać mostek H do sterowania silnikami od wycieraczek które pobierają około 8 A prądu. Mam taki schemat który chciałbym zrealizować tylko nie za bardzo wiem jak go zabezpieczyć oraz jakie dać baterie kondensatorów . Pomożecie?

[marek1707]

Skoro tak mało wiesz, to na jakiej podstawie wybrałeś ten schemat jako wzór do budowy własnego urządzenia? Od razu Ci powiem, że jest w nim (oprócz skrajnej prostoty) zupełnie podstawowy błąd i jeśli go nie dostrzegasz, to radzę Ci kup coś gotowego. Będziesz miał przynajmniej pewność, że mostek jest OK. Skup się na zaprojektowaniu obudowy, systemu zasilania, połączeń z komputerkiem sterującym i samego jego oprogramowania. To i tak dużo roboty i wyzwanie dla początkującego. A na wieloamperowe mostki MOSFETowe przyjdzie jeszcze kiedyś czas.

[sebegg]

Polecał go ktoś w internecie na stronie elektrody ale temat z 2010 roku. Potrzebuje zrobić mostek ponieważ pisze pracę inżynierską i powinienem nie wykorzystywać gotowych układów w miarę możliwości. Jaki jest ten podstawowy błąd? Z góry dziękuję za pomoc

[marek1707]

"powinienem nie wykorzystywać gotowych układów w miarę możliwości"

To jakiś epidemia? Pomroczność jasna na uczelniach plus kolejny OMC inżynier nawet nie próbujący ogarnąć tego co robi i szukający gotowca na elektrodzie? A chcemy helikoptery budować...

No to właśnie stajesz przed swoim być może pierwszym inżynierskim wyzwaniem: zrozumieć działanie każdego elementu na tym schemacie i pojąć ideę działania całości. Wtedy patrząc na schemat następnego "polecanego" mostka będziesz umiał go ocenić - zawsze to jakaś wiedza, prawda? Do pracy inżynierskiej jak znalazł.

Oto co Ci poradzę: ściągnij i przeczytaj ze zrozumieniem dane katalogowe użytych tranzystorów oraz przede wszystkim drivera. Zastanów się jak powinien być sterowany ten mostek (sygnały wejściowe) w różnych stanach pracy silnika (stop-prawo-lewo), jak powinny być wysterowane bramki wszystkich tranzystorów (jakie napięcia) by prąd płynął przez silnik w odpowiednim kierunku i zastanów się czy tak się dzieje w istocie. Wtedy bez problemu zauważysz błąd, będziesz miał swoją odpowiedź - i pierwszy sukces na koncie.

Zawsze możesz zapytać o jakiś szczegół, ale chyba już nie przystoi wołać "o co tu chodzi?".

[Lukaszm]

To jakiś epidemia?

Październik, niedobitki muszą wybierać tematy prac inżynierskich

[sebegg]

Z tego co sie doczytałem to muszę zastosować przetwornice napięcia na 16 V tak żeby wysterować do końca bramkę, dodatkowo muszę inaczej sterować p mosfetem a mianowicie podnieść napięcie wychodzące z mikrokontrolera za pomocą ukłądu "level shifter" czyli odpowiedni dobrany tranzystor bipolarny i 2 rezystory. Czy jeszcze czegoś nie zobaczyłem?

Co do tego całego "inżyniera" to wykładowcy świetnie pokazują jak to należy robić, wszystko po najmniejszej linii oporu

To jakiś epidemia?

Październik, niedobitki muszą wybierać tematy prac inżynierskich

Tak się składa ze temat wybrałem jako jeden z pierwszych na moim roku a jak to powinno być to inna bajka. Temat powinno się wybierać na 5 semestrze ale dopiero przy końcu 7 jest możliwość wybrania tematu a potem jest nie cały rok na zbudowanie i opisanie czegoś co nikt nie przeczyta do końca. Ale takie to już jest to pokolenie... nie mówię że wszyscy ale zazwyczaj większość którzy trzymają swoje stołki od paru dobrych lat.

[marek1707]

Pytania pomocnicze:

1. Czy przeczytałeś dane katalogowe użytego tu scalaka/drivera?

2. Jakie napięcia daje on na wyjściu przy zasilaniu go z 5V?

3. A jakie gdy zasilisz go z 12V i czy możesz to zrobić bez zniszczenia go?

4. Czy podczas zasilania go z 12V daje się sterować sygnałami 3 lub 5V?

5. Jakich napięć Vgs wymagają użyte tu tranzystory do poprawnego otwarcia? A jakie Vds wytrzymują?

Jak już wpadniesz na pomysł poprawienia schematu, pogadamy o samej konstrukcji mostka i procesie przełączania.

[sebegg]

napięcia na wejściu stanu wysokiego od 2,4 V i dla stanu niskiego do 0,8 V czyli moge go wysterować zarówno 3 jak i 5 V

wyjście stan wysoki (Vdd - 0.025) czyli 4,7V niskie 0.025V

VDD jest od 4.5 do 18 więc teoretycznie a sie podłączyć do 12 V

Vgs 16V a Vds wytrzymuje 60 V

i zaraz spróbuję układ poprawić

[marek1707]

Jakieś wnioski?

[sebegg]

mogę go wysterować bezpośrednio z arduino. mogę do Vdd podłączyć 12 V ale i tak potrzebuje 16 V do pełnego wysterowania tranzystora, Chyba że 11,7 by wystarczyło i by się za bardzo nie grzał.

[marek1707]

Tak, pierwszy wniosek jest słuszny: na schemacie należy zmienić zasilanie drivera z 5V na 12V, na wyjściach masz wtedy napięcia 0 i 12V. To wystarczy do pewnego załączania i wyłączania tranzystorów. W poprzednim wypadku (zasilanie drivera z 5V) co prawda dolne MOSFETy N przełączałyby się poprawnie, ale górne widziałyby raz -12V (liczymy względem górnej szyny zasilania, bo one też tak "patrzą") a raz -7V - w obu przypadkach byłyby załączone, a to nie jest dobry pomysł.

Generalnie: w tak prostym układzie, gdzie masz niezbyt wysokie zasilanie (5-16V) i tranzystory obu rodzajów, bramki powinny być sterowane potencjałami szyn zasilania mostka. Wtedy zarówno dolne jak i górne tranzystory będą się przełączać poprawnie. Ten sam układ nie zadziała przy zasilaniu np. 24V, bo zwykle bramki wytrzymują ok. 20V i wtedy trzeba coś zmienić w ich sterowaniu.

Nie wiem jakich tranzystorów dane katalogowe oglądałeś, ale w tych które ja widziałem piszą, że te tranzystory załączają się dobrze już przy 3V, a 5V to już dla obu pełne otwarcie. https://www.fairchildsemi.com/datasheets/ND/NDP6020P.pdf

https://www.fairchildsemi.com/datasheets/ND/NDP6060L.pdf

więc trochę nie rozumiem tych Twoich 16V..

Oczywiście można znaleźć o wiele tańsze/starsze/większe MOSFETy którew potrzebują 10-16V do poprawnej pracy, ale to nie ten przypadek, chyba że planujesz wstawić coś innego a schemat traktujesz jako luźną sugestię.

No dobra, to teraz o samym mostku. Jest skrajnie prosty co powoduje, że nie bardzo nadaje się do pracy PWM. Widzisz to? Napisz jak planujesz go wykorzystać. Czy tylko lewo-stop-prawo i wszystko na 100% czy raczej jakieś płynne regulacje prędkości itp. No i przemyśl dlaczego tak uważam. Żeby nie przedłużać: zastanów się co się dzieje z każdym tranzystorem pary (półmostka) gdy driver zmienia napięcie na połączonych bramkach z jednej skrajności w drugą w niezerowym czasie.

[sebegg]

Chciałbym wykorzystać te tranzystory ponieważ już je kupiłem i mam je fizycznie.

Vgss Dla NDP 6060L jest 16 V. Myślałem że to jest napięcie potrzebne do otwarcia? To co to za parametr??

Chciałem wykorzystać pracę PWM ale nie muszę koniecznie. Także wystarczy w prawo stop i w lewo.

Co do prac pół mostka to pracuje jeden tranzystor w stanie nasycenia a 2 w stanie odcięcia czyli jeden przepuszcza prąd a 2 nie przepuszcza.

Co do prostoty układu i że nie można go wykorzystać jako PWM, ciężko mi powiedzieć ale sądzę ze chodzi o czasy przełączania że cieżko będzie to synchronizować ale pewnie się mylę.

Dziękuję ci za czas który mi poświęcasz i doceniam twoją pomoc

[marek1707]

Te 16V są w tabelce "Absolute Maximum Ratings" czyli nieprzekraczalne parametry graniczne. Jak wyjedziesz poza podane tam wielkości, producent niczego nie gwarantuje a zbliżanie się do nich może poważnie nadszarpnąć niezawodność elementu.

Ciebie interesuje "Gate Threshold Voltage", co jest pierwszym szacunkiem tego z jakim MOSFEtem masz do czynienia. To napięcie bramki przy którym prąd drenu w ogóle zaczyna płynąć. Tu masz widełki 1-2V przy którym to napięciu dren otworzy się na 250uA (tabelka Electrical Characteristics). To niewiele, ale widać, że coś zaczyna się dziać. Najważniejszym dla Ciebie rysunkiem dla pracy stałoprądowej jest wykres "On-Region Characteristics" gdzie widzisz ile prądu możesz przepuścić przez kanał i jak wielkie przy tym będzie Vds dla kolejnych napięć bramki Vgs. To pokazuje, że dla przykładowego sterowania bramki z 5V i prądzie 40A, na kanale odłoży się 1V czyli cały tranzystor będzie się grzał mocą 40W. Porównaj sobie dane katalogowe kilku mniejszych (SOT23) i większych (TO220) MOSFETów żeby wyrobić sobie jakieś zdanie w jakich granicach zmieniają się parametry i czego możesz oczekiwać.

Skoro mostek to cztery, to półmostek to dwa tranzystory: te "stojące na sobie" czyli w Twoim przypadku lewa lub prawa para n-p.

Jeżeli masz układ jak na schemacie, gdzie bramki obu są zwarte, to teraz wyobraź sobie sytuację w której driver zaczyna zmieniać swoje napięcie wyjściowe z 0 do 12V. Na początku (przy 0V) przewodzi górny tranzystor i prąd płynie z plusa przez MOSFET-p, silnik i dalej. Gdzieś przy 2-3V zacznie przewodzić dolny tranzystor, ale górny wcale się nie wyłączył. Teraz, aż do napięcia ok. 9-10V przewodzą oba a dopiero gdy napięcie z drivera osiągnie 10-11V wyłączy się górny. Co oznacza dla zasilacza jednoczesne przewodzenie dwóch dobrych tranzystorów połączonych szeregowo? Rezystancję rzędu 50-100mΩ czyli prąd 100A płynący od plusa zasilania wprost do masy? No, coś koło tego. Im szybciej będzie napięcie bramek rosło/malało, tym szpila będzie krótsza ale w tym układzie nigdy jej nie wyeliminujesz. Paradoksalnie im lepsze będą tranzystory (krótsze czasy załączania, mniejsze napięcia progowe czyli czulsze bramki), tym bardziej będą na siebie zachodziły obszary ich przewodzenia i tym będzie gorzej. Szpila prądu (a więc ogromne zakłócenia i straty) będzie się pojawiała przy każdym przełączeniu półmostka. Im szybszy będzie PWM tym gorzej. Dlatego ta konstrukcja nadaje się raczej do pracy stałoprądowej. Można sobie (być może) pozwolić na impuls raz na kilka sekund przy zmianie stanu silnika start-stop, ale już szpilki 10kHz w takt PWM byłyby dla tranzystorów zabójcze. W takich rozwiązaniach stosuje się osobne sterowanie obu (w sumie w pełnym mostku - czterech) bramek z tzw. czasem martwym. Najpierw jeden wyłączasz, czekasz, potem włączasz ten drugi. Procesory mają w swoich timerach specjalne generatory czasów martwych wstawiane między sygnały PWM dla obu tranzystorów, pewne drivery same umieją taki czas wstawić albo można to zrobić "na piechotę" nawet w takim układzie jak tutaj. Będziesz tylko potrzebował 4 linii sterujących bramkami czyli 4 kanały drivera czyli dwa takie scalaki jak 4428. Jeśli rozsuniesz w czasie momenty komutacji obu tranzystorów półmostka, możesz bawić się płynną, PWMową regulacją silnika do woli

[sebegg]

Czyli wszystko podłączam tak jak na schemacie i na wejście daje A:5V B:0V kręci się w prawo a jak dam A:0V B:5V kręci się w prawo. Dodatkowo mam pytanie co do tego elementu, są to niby baterie kondensatorów ale czy trzeba to koniecznie dawać? czy usunąć to całkiem?

I pytanie jak zabezpieczać ten mostek przed uszkodzeniem?

[Mechano]

Wdarła się jakaś literówka w to zdanie. Ogólnie to trudno stwierdzić w jaką stronę fizycznie się zakręci silnik, przy zamianie konfiguracji sterowania kierunek powinien się zmienić.

na wejście daje A:5V B:0V kręci się w prawo a jak dam A:0V B:5V kręci się w prawo

Ten kondensator wygląda na filtrujący szynę zasilania mostka. Raczej powinien tam być, najlepiej taki Low ESR.

Jakich zabezpieczeń oczekujesz? Może to być zabezpieczenie przez zbyt niskim, wysokim napięciem/prądem/temperaturą, zwarciem wyjść, słowem cokolwiek. Doprecyzuj a pomożemy.

Co do reszty poprawności schematu się nie wypowiadam bo nie wiem.