Sterownik silnika prądu stałego wykorzystujący tranzystory mocy [sterowane PWM, półmostek 30A]: 10 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:30

Główne źródło (Pobierz Gerber/Zamów PCB):

Krok 1:

Silniki prądu stałego są wszędzie, od zastosowań hobbystycznych po robotykę i obszary przemysłowe. Dlatego istnieje szerokie zastosowanie i zapotrzebowanie na odpowiednie i mocne sterowniki silników prądu stałego. W tym artykule nauczymy się je zbudować. Możesz nim sterować za pomocą mikrokontrolera, Arduino, Raspberry Pi, a nawet samodzielnego układu generatora PWM. Dzięki zastosowaniu odpowiednich metod radiatora i chłodzenia obwód ten może wytrzymać prądy do 30A.

[1]: Analiza obwodu Sercem obwodu jest układ sterownika MOSFET IR2104 [1]. Jest to popularny i odpowiedni układ scalony sterownika MOSFET. Schemat ideowy obwodu przedstawiony na rysunku-1.

Krok 2: Rysunek 1, schemat ideowy wydajnego sterownika silnika prądu stałego

Krok 3:

Zgodnie z arkuszem danych IR2104 [1]:”IR2104(S) to wysokonapięciowe, szybkie sterowniki mocy MOSFET i IGBT z zależnymi kanałami wyjściowymi odniesionymi po stronie wysokiej i niskiej. Opatentowane technologie HVIC i odporne na zatrzaski CMOS umożliwiają wzmocnioną konstrukcję monolityczną. Wejście logiczne jest kompatybilne ze standardowym wyjściem CMOS lub LSTTL, aż do logiki 3.3V. Sterowniki wyjściowe są wyposażone w wysoki stopień buforowania prądu impulsowego, zaprojektowany z myślą o minimalnym przewodnictwie krzyżowym sterownika. Kanał pływający może być używany do napędzania N-kanałowego MOSFET lub IGBT w konfiguracji high-side, która działa od 10 do 600 woltów.” IR2104 napędza tranzystory MOSFET [2] w konfiguracji półmostkowej. Nie ma problemu z wysoką pojemnością wejściową tranzystorów MOSFET IRFP150. Z tego powodu przydatne są sterowniki MOSFET, takie jak IR2104. Kondensatory C1 i C2 służą do redukcji hałasu silnika i EMI. Maksymalne tolerowane napięcie tranzystorów MOSFET wynosi 100V. Użyłem więc co najmniej kondensatorów 100V. Jeśli masz pewność, że napięcie obciążenia nie przekracza progu (na przykład silnik 12 V DC), możesz zmniejszyć napięcia kondensatorów na przykład do 25 V i zamiast tego zwiększyć ich wartości pojemności (na przykład 1000 uF-25 V). Pin SD został ściągnięty z rezystorem 4,7K. Następnie musisz podać napięcie o poziomie logicznym stanu ustalonego do tego pinu, aby aktywować układ. Musisz również wstrzyknąć swój impuls PWM do pinu IN.

[2]: Płytka PCB

Układ PCB schematu pokazano na rysunku-2. Został zaprojektowany w taki sposób, aby zredukować szumy i stany przejściowe, aby pomóc w stabilności urządzenia.

Krok 4: Rysunek 2, Zaprojektowany układ PCB dla schematu sterownika silnika

Nie miałem śladu PCB i symboli schematów komponentów IR2104 [1] i IRFP150 [2]. Dlatego używam symboli dostarczonych przez SamacSys [3] [4], zamiast marnować czas i projektować biblioteki od podstaw. Możesz użyć „wyszukiwarki komponentów” lub wtyczki CAD. Ponieważ do rysowania schematu i PCB używałem Altium Designer, bezpośrednio użyłem wtyczki SamacSys Altium [5] (rysunek 3).

Krok 5: Rysunek 3, Wybrane biblioteki komponentów dla IR2104 i IRFN150N

Rysunek 4 przedstawia widok 3D płytki PCB. Widok 3D usprawnia procedurę kontroli rozmieszczenia płyty i komponentów.

Krok 6: Rysunek 4, widok 3D płytki PCB sterownika silnika

[3] Montaż Więc skonstruujmy i zbudujmy obwód. Właśnie użyłem pół-domowej płytki PCB, aby móc szybko złożyć płytkę i przetestować obwód (rysunek-5).

Krok 7: Rysunek 5, pierwszy prototyp projektu (na półdomowej płytce drukowanej), widok z góry

Po przeczytaniu tego artykułu masz 100% pewności co do prawdziwego działania obwodu. Dlatego zamów płytkę PCB w profesjonalnej firmie produkującej PCB, takiej jak PCBWay, i baw się dobrze ze swoją lutowaną i zmontowaną płytą. Rysunek 6 przedstawia widok od dołu zmontowanej płytki PCB. Jak widać, niektóre ścieżki nie pokryły się całkowicie solder-maską. Powodem jest to, że te ścieżki mogą przenosić znaczną ilość prądu, więc wymagają dodatkowego wsparcia miedzi. Normalny tor PCB nie toleruje dużej ilości prądu i ostatecznie rozgrzeje się i spali. Aby sprostać temu wyzwaniu (tanią metodą), musisz przylutować gruby nieosłonięty drut miedziany (rysunek 7) na odsłoniętych obszarach. Ten sposób zwiększa obecną zdolność przesyłową toru.

Krok 8: Rysunek 6, widok z dołu prototypu płytki PCB, odsłonięte ścieżki

Krok 9: Rysunek 7, gruby nieizolowany drut miedziany

[4] Test i pomiarDostarczony film na YouTube pokazuje rzeczywisty test deski z silnikiem prądu stałego wycieraczek samochodowych jako obciążeniem. Dostarczyłem impuls PWM z generatorem funkcyjnym i zbadałem impulsy na przewodach silnika. Wykazano również liniową korelację poboru prądu obciążenia z współczynnikiem wypełnienia PWM.

[5] Zestawienie materiałów

Tabela-1 przedstawia zestawienie materiałów.

Krok 10: Tabela-1, zestawienie materiałów obwodów

Odnośniki [1]:

[2]:

[3]:

[4]:

[5]:

[6]: Źródło (pobieranie/zamawianie płytki drukowanej Gerber)