Драйвер двигателя постоянного тока с использованием силовых полевых транзисторов [ШИМ-управление, полумост 30 А]: 10 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Основной источник (загрузить Gerber / заказать печатную плату):

Шаг 1:

Двигатели постоянного тока повсюду, от хобби до робототехники и промышленных областей. Поэтому существует широкое использование и потребность в подходящих и мощных драйверах двигателей постоянного тока. В этой статье мы научимся его строить. Вы можете управлять им с помощью микроконтроллера, Arduino, Raspberry Pi или даже отдельного чипа генератора ШИМ. При использовании надлежащего радиатора и методов охлаждения эта схема может выдерживать токи до 30 А.

[1]: Анализ схемы Сердцем схемы является микросхема драйвера полевого МОП-транзистора IR2104 [1]. Это популярная и применимая микросхема драйвера MOSFET. Принципиальная схема схемы представлена на рисунке -1.

Шаг 2: Рисунок 1, принципиальная схема мощного драйвера двигателя постоянного тока

Шаг 3:

Согласно техническому описанию IR2104 [1]: «IR2104 (S) - это высоковольтные, высокоскоростные силовые драйверы MOSFET и IGBT с зависимыми выходными каналами со стороны высокого и низкого уровня. Запатентованные технологии HVIC и CMOS с защитой от защелок позволяют создавать прочную монолитную конструкцию. Логический вход совместим со стандартным выходом CMOS или LSTTL, вплоть до логики 3,3 В. Выходные драйверы имеют буферный каскад с высоким импульсным током, предназначенный для минимальной поперечной проводимости драйверов. Плавающий канал может использоваться для управления N-канальным силовым MOSFET или IGBT в конфигурации со стороны высокого напряжения, который работает от 10 до 600 вольт ». IR2104 управляет полевыми МОП-транзисторами [2] в полумостовой конфигурации. Нет проблем с высокой входной емкостью полевых МОП-транзисторов IRFP150. Вот почему полезны драйверы MOSFET, такие как IR2104. Конденсаторы C1 и C2 используются для уменьшения шума двигателя и электромагнитных помех. Максимально допустимое напряжение MOSFET составляет 100 В. Поэтому я использовал конденсаторы с номиналом не менее 100 В. Если вы уверены, что напряжение вашей нагрузки не превышает пороговое значение (например, двигатель 12 В постоянного тока), вы можете уменьшить напряжение конденсаторов, например, до 25 В и вместо этого увеличить их значения емкости (например, 1000 мкФ-25 В). Вывод SD смещен резистором 4,7 кОм. Затем вы должны подать на этот вывод постоянное напряжение логического уровня, чтобы активировать микросхему. Вы также должны подать свой ШИМ-импульс на вывод IN.

[2]: Печатная плата

Схема печатной платы показана на рисунке 2. Он разработан таким образом, чтобы уменьшить шум и переходные процессы, чтобы обеспечить стабильность устройства.

Шаг 4: Рисунок 2, Разработанная компоновка печатной платы для схемы драйвера двигателя

У меня не было посадочного места печатной платы и схематических символов компонентов IR2104 [1] и IRFP150 [2]. Поэтому я использую символы, предоставленные SamacSys [3] [4], вместо того, чтобы тратить свое время и проектировать библиотеки с нуля. Вы можете использовать «поисковую систему компонентов» или плагин САПР. Поскольку я использовал Altium Designer для рисования схемы и печатной платы, я напрямую использовал плагин SamacSys Altium [5] (рисунок 3).

Шаг 5: Рисунок 3, библиотеки выбранных компонентов для IR2104 и IRFN150N

На рисунке 4 показан трехмерный вид печатной платы. Трехмерный вид улучшает процедуру проверки платы и размещения компонентов.

Шаг 6: Рисунок 4, трехмерное изображение печатной платы драйвера двигателя

[3] Сборка Итак, давайте сконструируем и построим схему. Я просто использовал самодельную печатную плату, чтобы иметь возможность быстро собрать плату и протестировать схему (рисунок 5).

Шаг 7: Рисунок 5, первый прототип конструкции (на самодельной печатной плате), вид сверху

Прочитав эту статью, вы на 100% уверены в истинной работе схемы. Поэтому закажите печатную плату в профессиональной компании по изготовлению печатных плат, такой как PCBWay, и получайте удовольствие от пайки и сборки платы. На Рисунке 6 показан вид снизу собранной печатной платы. Как видите, некоторые дорожки не полностью покрыты паяльной маской. Причина в том, что эти дорожки могут пропускать значительный ток, поэтому им нужна дополнительная медная опора. Обычная дорожка на печатной плате не может выдерживать большой ток, и в конечном итоге она нагреется и сгорит. Чтобы решить эту проблему (дешевым методом), вы должны припаять толстый неизолированный медный провод (рисунок 7) к непокрытым участкам. Этот метод увеличивает текущую пропускную способность дорожки.

Шаг 8: Рисунок 6, вид снизу прототипа печатной платы, открытые дорожки

Шаг 9: Рисунок 7, толстый неизолированный медный провод

[4] Тестирование и измерение В предоставленном на YouTube видео демонстрируется реальное испытание платы с двигателем постоянного тока стеклоочистителя автомобиля в качестве нагрузки. Я снабдил ШИМ-импульс функциональным генератором и исследовал импульсы на проводах двигателя. Кроме того, продемонстрирована линейная корреляция потребления тока нагрузкой с рабочим циклом ШИМ.

[5] Спецификация материалов

Таблица-1 показывает спецификацию материалов.

Шаг 10: Таблица-1, Спецификация материалов схемы

Ссылки [1]:

[2]:

[3]:

[4]:

[5]:

[6]: Источник (загрузка Gerber / заказ печатной платы)