H-Brigde – Zrób to sam

wpisany przez data: 23/10/2010

23/10/2010 H-Brigde – Zrób to sam

…jeżeli bardzo musisz!

H-Brigde jest całkiem prostym elementem, jednak sterowanie nim dostarcza prawdziwych problemów. Jeżeli bardzo Ci nie zależy na jego wykonaniu zdecyduj się na gotowy element np. L293 lub L298 które mogą sterować dwoma silnikami o prądzie 1A lub 2,5A na silnik. Możesz także wykorzystać VNH3SP30TR-E który radzi sobie z prądami do 30A.

Małe wprowadzenie

Jeżeli mostek H jest tak częto spotykany to dlaczego tak trudno jest zbudować taki który działa? Na takie pytanie jest dużo odpowiedzi jednak najczęściej powodem jest:

zły dobór elementów błędne kontrolowanie FETa przeciążenie tranzystorów które jest wynikiem złego doboru elementów zbyt duża częstotliwość sterowania (PWM)

Niektóre z tych problemów są proste do przeskoczenia jak np. przeciążenie. Jeżeli nasz mostek działa prawidłowo a potrzebujemy tylko sterować większym silnikiem wystarczy podwoić ilość tranzystorów. Zbyt wysoka częstotliwość PWM też nie jest problemem gdyż wystarczy ustawić większy dzielnik dla timer’a.

Jednak chociaż na chwile zapomnijmy o h-Bridge’u który wymaga 4 MOSFET’ów i elektroniki sterującej. Czy myślałeś nad zastosowaniem przekaźnika i pojedyńczego MOSFET’a typu N? Takie rozwiązanie co prawda nie pozwoli na szybkie przełączanie kierunku jednak sterowanie nim jest dużo prostsze i tańsze. Kiedy przychodzi do prądów które możemy obsługiwać zwykle ogranicza nas jedynie dobór parametrów MOSFET’ów. Ponieważ potrzebujemy tylko jednego MOSFET’a wybierzemy element z kanałem N. Są one szybsze, jest ich większy wybór i obsługują większe prądy.

Wracając do tranzystorowego mostka, tranzystory polowe z kanałem P są wolniejsze od tych z kanałem N. To samo dotyczy prądów które są wstanie wysterować. W przykładzie powyżej zastosowałem BUZ11 MOSFET z kanałem N który może być obciążany prądami 30A natomiastIRF9530 już tylko 12A.

Pamiętaj także że te parametry ( głównie rdson ) podawany jest dla temperatury 25C, ponieważ tranzystory się nagrzewają to ich rezystancja wzrasta tym samym ograniczając prąd który może przez nie płynąć. Najlepiej jest załozyć, że tranzystor będzie pracował z 70% obciążenia aby być bezpiecznym, że nie wybuchną. Pamiętasz zasadę z rysunku o tym, że nigdy A i D lub B i C nie mogą przewodzić w tym samym momęcie?

Zagłębiając się w temat…

MOSFETy są elementami kontrolowanymi napięciowo. To znaczy, że chcąc sterować tranzystorem z AVR musisz wybrać element który pracuję przy wartościach logicznych. Chodzi tutaj o napięcie przewodzenia bramki, które normalnie zaczyna się w granicach 10-12V (cały problem dotyczy MOSFET’ów z kanałem N). Musisz też pamiętać, że 5V nie wystarcza do pełnego otwarcia MOSFET’a. Patrząc na wykres przejścia, 5V wystarcza do otworzenia 1/10 możliwości tranzystora. To znaczy, że rezystancja jest 10-cio krotnie większa niż nominalna przy pełnym otwarciu. Więc wykorzystanie 5V i wymaganie obsługi pełnego obciążenia da w rezultacie szybkie nagrzanie i wybuch tranzystora. Znaczenie ma tutaj też napiecię pomiedzy drenem a źródłem (Vds). To właśnie te problemy utrudniają budowę mostków opartych tylko o MOSFET'y N. Aby zastosować je w górnych częściach mostka potrzeba podbić napięcie bramki o conajmniej 8V ponad V+. Naszczęście są dostępne układy ze zintegrowanymi pompami ładunkowymi specjalnie przygotowane do sterowania MOSFET’ami w górnej części mostka (np. LTC1155).

Na koniec żeby jeszcze dodać do tego małego hororu bramka tranzystora polowego posiada pewną pojemność którą trzeba przeładować zeby zaczął działać co wymaga przy dużej częstotliwości sygnału sterowania znacznego prądu.

A więc aby podsumować:

N-MOSFET

 przewodzi od ~5V (kiedy źródło podłączone jest do GND, kiedy podłączasz źródło do V+ to bramka musi być sterowana napięciem conajmniej +V + 8V), maja one szybkie czasy narastania i opadania, przenoszą duże prady

P-MOSFET

 przewodzi gdy bramka jest podłączona do GND (0V) są jednak wolniejsze od N-MOSFET i przenoszą mniejsze prądy

Przykłady

Teraz kiedy mamy już jakąś wiedzę spróbójmy kilka przykładów. Pierwszym będzie mostek oparty o MOSFET’y N i P sterowane przez TC429 i parę bramek w celu łatwego podłączenia do AVR. Ten mostek nie przewiduje opcji hamowania.

Użycię TC429 załatwia sprawę skalowalności naszego projektu. W tej konfiguracji możemy sterować prądami do 15A stosując odpowiednie chłodzenie. Natomiast dublując ilość MOSFET’ów otrzymujemy mostek o obciążalności 30A. Jeżeli nie uda Ci się znaleść TC429 możesz wykorzystać inny sterownik o zanegowanym wyjściu lub jeżeli wyjścia nie są negowane to wystarczy przenieść bramki IC1A i IC1B przed sterowniki dolnej połowy mostka.

Pamiętaj aby zawsze stosować diody Shottky’iego. Kiedy odłączasz zasilanie od silnika bedzie on się zachowywał jak cewka starająca się utrzymać przepływ prądu. Jeżeli wykorzystasz diody skok napięcia bedzie miał drogę ujścia, w innym wypadku może spalić MOSFET’a.

 

Cała praca prezentowana tutaj jest na zasadach licencji Creative Commons - Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0