ШИ-регулятор на N-канальном транзисторе с общим минусом, плавным пуском и защитой от перегрузки

Для многих применений желателен ШИМ-регулятор, у которого минус общий с нагрузкой. Обычно такие регуляторы строят с применением P-канального МОП-транзистора, которые значительно уступают N-канальным в Rdson, заряду затвора, скорости переключения и доступной номенклатуре. Применение N-канальных МОП-транзисторов сдерживается необходимостью привязки управляющего сигнала к потенциалу истока и усложнения схемы управления. Мной разработан, изготовлен и испытан под нагрузкой широтно-импульсный регулятор, в котором вышеуказанные недостатки преодолены. Элементная база широкодоступна. Область применения схемы – регулирование оборотов коллекторного электродвигателя с током до 20А и напряжением питания от 12В до 25В. Диапазон регулирования коэффициента заполнения 0..98%. Похожее схемное решение упоминалось мной же, на форуме в качестве идеи, но не было реализовано.

Фото 1. Общий вид ШИР с двигателем RS-550

Фото 2. Общий вид ШИР

Фото 3. Внешний вид герконового токового реле

Фото 4. Принципиальная схема ШИР

Схема состоит из генератора треугольного сигнала с размахом 1/3 питающего напряжения (R1-R4, RT1, CT1), ШИМ-компаратора, цепи задания Кзап (R6-R8, RP1, VD1, RT2, CT2, R5), драйвера затвора со схемой вольтодобавки (R9-R11, VD2, HL1, C2, C5 VT1-VT3), мощного N-канального ключа VT5, диода Шоттки VD4 со снаббером, токового реле KLI, батареи силовых конденсаторов (C6, C7). От короткого замыкания и переполюсовки питания схема защищена предохранителем FU1 25A. Управляющая часть вместе с бутстрепным каскадом питаются от параметрического стабилизатора с усилителем тока на VT4.

Генератор треугольного сигнала выполнен по той же схеме, что и прототип, но номиналы изменены для снижения нагрузки на R4. Выходной сигнал снимается с CT1, имеет размах 1/3 напряжения питания, частоту 7 кГц. Низ пилы – 1/3, верх – 2/3 напряжения питания. При 9,5В питания пила находится в диапазоне 3,17В ÷ 6,33В. Форма удовлетворительно близка к треугольнику. Частота генератора оценивается по формуле Fsw=0,7/(RT1*CT1) и совпадает с частотой ШИМ-напряжения на выходе. Поэтому, выбор элементов CT1 и RT1 определенно влияет на акустический свист, исходящий от электродвигателя. В качестве отправной точки для подбора частоты, надо использовать постоянную времени якоря мотора Lя/Rя. Эта величина соотносится со временем спада тока якоря через блокирующий диод VD4. Для получения низкого акустического шума и малого размаха пульсаций тока, период коммутации ШИМ должен быть короче постоянной времени якоря, по крайней мере, в несколько раз. У испытуемого мотора RS-550 она составляет около 1 мс. Период ШИМ должен составить менее 0,2 мс, а частота - свыше 5 кГц. Для данной схемы принято с запасом, 7 кГц. Данная величина является компромиссной, сильно повышать Fsw не имеет смысла, так как механический шум щеток и коллектора двигателя значительно громче свиста от Fsw, кроме того, с ростом частоты вырастут динамические потери на ключе.

В узле задания Кзап для плавной подачи управляющего напряжения на вход 5 ШИМ-компаратора, предусмотрена цепь RT2CT2 с τ~1 с. Плавный пуск мотора осуществляется путем увеличения Кзап от нуля до установленного RP1 значения. VD1 подготавливает схему к следующему плавному пуску, разряжая CT2 при отключении питания.

ШИМ-компаратор (ноги 5-7 DA1) сравнивает сигнал пилы с сигналом управления. Результат сравнения – прямоугольное ШИМ напряжение, выдается в инвертированном виде на 7 ноге DA1, и поступает на драйвер затвора со схемой вольтодобавки (бутстреп).

Цепь HL1, C2 - для форсированного запирания VT1, который работает в ключевом режиме (насыщение-отсечка), ускоряет нарастание и спад напряжения на коллекторной нагрузке R10. Цепь ограничивает выходное напряжение ШИМ-компаратора на уровне 3,8В. Напряжение на базе VT1 изменяется от +0,8В (насыщение) до -3В (отсечка). Приложение отрицательного смещения к базе повышает стойкость к пробою VT1 повышенным напряжением К-Э, ускоряет его запирание. VT2, VT3 включены двухтактным эмиттерным повторителем, питающимся от плавающего источника питания C5. При размыкании VT1, базы смещаются на плюс C5 при помощи R10, R11. VT2 открывается и заряжает затвор VT5 до 8,5..9В. Сам повторитель не потребляет тока в статике, а заряд в емкости C5 во много раз выше, чем требуется для затвора VT5, поэтому, напряжение на C5 почти неизменно, около 9,3В. Напряжение на коллекторе VT1 доходит до суммы входного (до +25В) и плавающего источника (9,3В), в сумме почти 35В. В момент окончания импульса, компаратор формирует высокий уровень на выходе (3,8В), VT1 и VT3 насыщаются, затвор VT5 форсированно разряжается до нуля. Выходное напряжение на истоке VT5 начинает падать через несколько десятков наносекунд после разрядки затвора. ЭДС самоиндукции обмотки, стремящаяся поддержать ток мотора, открывает VD4, придавая потенциал истоку VT5 в -0,5..-0,6В. Заряд C5 пополняется через открытый VD2 и прямосмещенный VD4 в паузе, нижняя обкладка C5 "садится" на минус. В этот момент VT3 продолжает находиться в насыщении, затвор закорочен (Vgs=0), несмотря на кажущуюся деструктивную роль прямого падения на диоде Шоттки (-0,5..-0,6В). Во всех режимах, кроме нулевого Кзап, Vgs имеет постоянную амплитуду около 9В (на фото питающее напряжение составляет 11,5В, потому амплитуда Vgs выше), выбросы отсутствуют.

 
Фото 5. Vgs Кзап=2%

Фото 7. Vgs Кзап=35%

Фото 8. Vgs Кзап=96%

Фото 9. Vgs фронт

Фото 10. Vgs спад

С МОП-транзистором VT5 IRL2203N (30 В, 116 А, 7 мОм, Qg=70 нКл при Vgs=9 В), фронт составляет 500 нс, а спад – 200 нс. Для ускорения, потребуется снижения R10, R11, либо (предпочтительнее) применение в позициях VT2, VT3 транзисторов Дарлингтона КТ972А, КТ973А. Таким образом, у данного простого драйвера из подручных деталей, вполне удовлетворительные характеристики.

Напряжение на истоке VT5 под нагрузкой представляет собой ШИМ-прямоугольные импульсы с амплитудой напряжения питания и Кзап от 0 до 97..98%. Ненагруженный мотор переходит в режим разрывного тока, появляется "полка" противоЭДС (на фото 12, 13) Без снаббера, вместо "полки" наблюдается ВЧ-звон. Под нагрузкой на валу (и при разгоне), график сразу же становится прямоугольным без каких-либо артефактов, схема сама переходит в режим неразрывного тока, энергетически более выгодный.

Фото 11. Vout Кзап=2% ХХ

Фото 12. Vout Кзап=17% ХХ

Фото 13. Vout Кзап=35% ХХ

Фото 14. Vout Кзап=96% ХХ

Максимальный Кзап не должен доходить до 100 %, иначе бутстрепная схема перестанет работать, а C5 разрядится. Диапазон регулирования Кзап определяется попаданием напряжений с движка RP1 в диапазон пилы 1/3-2/3, причем, верхнее значение управляющего напряжения должно немного не доходить до верха пилы. Диапазон регулирования подстраивается сопротивлениями делителя R6, R7, R8. R7 предотвращает негативные последствия обрыва ползунка или удаления RP1 при работе ШИР и немного смещает диапазон вниз. Потенциометр может быть безопасно удален даже при работе схемы, произойдет просто плавное снижение оборотов до нуля. Возможна подача постоянного управляющего напряжения на неинвертирующий вход (ножка 5) компаратора для дистанционного управления Кзап, в диапазоне 1/3..2/3 Vcc. Возможна установка (параллельно контактам KLI) нормально разомкнутого биметаллического термоконтакта (70-80 градусов) для работы в условиях ограниченного размера радиатора охлаждения.

В выходную истоковую цепь VT5 включена обмотка токового реле. Реле выполнено на герконе КЭМ-3, на который намотаны 3 витка обмоточного провода. Число витков подбиралось при помощи амперметра и пробной обмотки. В качестве нагрузки выступал мотор ШВ с заклиненным валом, Кзап плавно повышался и по амперметру в цепи мотора отмечался ток срабатывания геркона. При 4 витках ток срабатывания оказался 16,5А. Значит, МДС срабатывания – 16,5А*4=66А (соответствует параметрам геркона КЭМ-3 группы "А"). Требуется получить ток срабатывания 20-30А – при 3 витках получается Iср=66А/3~22А. В момент достижения порогового тока, геркон срабатывает с щелчком, конденсатор CT2 управляющей цепи полностью разряжается через R5 и замкнутый контакт геркона KLI. После спада тока мотора до нуля, геркон размыкается, и начинается процесс зарядки CT2 и плавного запуска. Попытки рестарта будут производиться 1-2 раза в секунду пока не будет снята перегрузка или разблокирован ротор мотора.

Устройство смонтировано на фольгированном текстолите с фольгой 35 мкм, толщиной 1,6 мм. Габариты платы - 62 х 60 мм. Силовые электролитические конденсаторы C6 (4 штуки) и шунтирующие их керамические С7 (6 штук), размещены компактно и в непосредственной близости от VT5 и VD4 - для минимизации паразитных выбросов. Дорожки, по которым протекают значительные токи, для увеличения тепловой инерции, пропаяны припоем. Катушка токового реле KLI наматывается на оправке, толщиной не меньше 4 мм, выводы формуются, зачищаются и впаиваются в плату. Геркон размещается вертикально внутри катушки. Силовые элементы VT5 и VD4 положены "плашмя", теплоотводящими поверхностями наверх, на которые установлен радиатор охлаждения через теплопроводные прорезиненные прокладки с нейлоновыми шайбами. Радиатор крепится к плате при помощи двух винтов М3 и гетинаксовых втулок толщиной 5 мм. Для удобства подключения питания и нагрузки, предусмотрены ножевые контакты X1..X4 шириной 6,3 мм. Потенциометр подключается к рядным штыревым контактам типа PLS-3 (на плате), при помощи гнезд BLS-3 (на кабеле потенциометра).

Недостатки схемы

Частота задающего генератора и коэффициент заполнения Кзап не зависят от напряжения питания в установившемся режиме. Однако, нестабильность питания может повлиять на цепь софтстарта CT2RT2, которая реагирует на изменения питания с задержкой. Поэтому, вся цепь управления должна питаться стабильным напряжением. При питании схемы от 12В, цепь управления можно питать от 9..10 В через простой стабилизатор. В этом случае, амплитуды Vgs обычно мало для надёжного управления МОП-транзисторами со стандартным напряжением управления (10 В), приходится применять ключи с пониженным порогом открывания (что и было сделано). Если питать компаратор от стабильного напряжения 5 В, а драйвер от стабилизатора от стабилизатора-ограничителя (LowDrop) на 12В, тогда можно будет применять стандартные ключи. Это усложнит схему.

Как и в любой схеме ШИР с блокирующим диодом, диод VD4, хоть и обладает сравнительно низкими потерями (Шоттки STPS3045CT 45 В, Uf=0,66 В), тем не менее, под нагрузкой выделяет много тепла. С мотором RS-550 и валом, зажатым в патрон дрели, (радиатор на VD4 пока не был смонтирован), при токах, близких к отсечке (около 20 А), температура основания VD4 доходила до 100 градусов, особенно на при малом Кзап. При этом, VT5 - едва тёплый. Тепловыделение VD4 заставляет применять радиатор и увеличивает габариты и вес устройства. Для сравнения, синхронный ШИР на IR2153, рассчитанный на те же 20А выходного тока (описание размещено на форуме) - лишён радиаторов, так как ощутимо не греется при таком токе.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Sprint-Layout
• ШИМ
• ШИМ с общим минусом
• ШИМ с защитой
• ШИМ на N-mosfet