PWM regulace motoru, do 30V 10A.

[Hinsi]

Zdravím
někde jsem tu sliboval, že urobím univerzální modul pro regulaci stejnosměrných motorů. Trochu se mě to zdrželo, než jsem vyhrabal vhodný chladič.
Dávám k dispozici jak schéma, osazovák, tak předlohu plošného spoje, 600DPI. Soubory eagle nebudu poskytovat.
Schéma je naprosto triviální a trapné, není moc k vysvětlování. Pokud se to osadí bez chyby, musí to prostě fungovat. Kvůli relativně velkému proudu 10A jsem zvolil jako konektory FASTONy 6,3mm, já těm svorkovnicím nevěřím. Modul obsahuje 4 filtrační kondenzátory 4700uF/35V. V případě potřeby napájení motoru z transformátoru, stačí doplnit zvenčí grätz, umístěný na chladič, např. dno kovové krabice. Na modulu není žádná pojistka, jelikož jištění 10A trubičkovou pojistkou 5x20mm v držáku na DPS neuznávám jako vhodné řešení. Jištěné tedy musí být trafo v primáru, a to bezpodmínečně nutně. V případě napájení regulátoru např. z akumulátoru 24V či jiného zdroje DC napětí, použijeme vhodnou pojistku, například automobilovou, s vhodným držákem.
MOSFET tranzistor jsem v prototypovém kusu použil IRFP4110. Může tam jít i jakýkoliv podobný, s Uds > 50V a dostatečným Id a malým Rds. Vyhoví např. IRFP064N, či co podobného máme zrovna v šuplíku. Dioda je pak dvojitá schottkyho. Závěrné napětí 40V a více. Můžeme použít např diody vykuchané z PC zdrojů, těch se válí všude mraky. Typy např SB3040CT, MBR3040, S30D40C, SBL3040 - je to všecko totéž.
Použije-li se MOSFET s dostatečně malým Rds (pod 10miliohm - doporučuji, cenově asi 1€/kus), tvoří většinu ztrátového výkonu dioda, asi 5W. Chladič tedy není potřeba příliš velký, vyhoví i ten jako jsem použil, samozřejmě správně orientovaná žebra - svisle. Na desce je za tranzistory místo 15mm pro chladič, kam se vejde naprostá většina chladičů, které můžeme natěžit odněkud z bordelu - kdo nemá, něco koupí. Rozteč děr pro šrouby je 19mm. VŽDY nejprve montujeme polovodiče na chladič a následně celek připájíme do DPS! Tranzistor i dioda musí být přišroubovaná přes izolační podložku. Běžná silikonová vyhoví. Pastu nepoužíváme.
Stabilizátor 15V se v případě napájení regulátoru 12-15V může vynechat. Není potřeba mu dávat chladiče, teče skrz něj okolo 10mA. Napájecí napětí menší než 10V není přípustné.
Pracovní kmitočet je cca 16kHz, záleží, jak se sejdou tolerance součástek. C8 by měl být svitkový, aby kmitočet necoural s teplotou. Tento kmitočet je vhodný pro většinu běžně dostupných motůrků.
R6 vyhoví povětšinou 5k6, avšak může se stát, že bude třeba jej upravit, aby rozsah regulace byl roztažen rovnoměrně po celé dráze potenciometru. Potenciometr je nutné použít 10k lineární, né jiný.
RC člen R5-C7 brání prudké změně střídy řízení, při rozběhu tedy působí i jako softstart (plynulý rozběh motoru, který potom při roztáčení nedřístá strašlivé ampéry ze zdroje). Slouží i např. k filtraci nepořádku, který by se mohl indukovat do delšího vedení k potenciometru. V případě nutnosti dlouhého přívodu k potenciometru, je možné odpor 5k6 vyměnit za 560ohm a potenciometr za 1k. Kabel bych doporučil stíněnou dvoužílu, např LiYCY 2x0,14.
Na závěr bych upozornil, že regulátor není vyzbrojen ochranou proti přetížení a zkratu - zde šlo o názornost a jednoduché řešení regulace, z běžně dostupných součástek, které se snad každému bastlíři válí v šupleti, nebo je lze snadno natěžit ze šrotu. Domnívám se však, že se takovýhle MOSFET s DIODOU zas tak snadno zničit nenechá. Proudovou zpětnou vazbu mohu realizovat například u příští verze regulátoru, kde bude možnost třeba i momentové regulace motoru - bude-li o to zájem.

Regulaci jsem zde převážně zkoušel na vysokootáčkovém motoru opatřeném radiální vrtulí, 100W příkonu (24V a cca 4A ze zdroje), chladič se po několika minutách chodu sotva ohřál. Účinnost regulátoru by měla být lepší než 95%. V případě trvalého namáhání regulátoru velkými proudy až k těm 10 ampérům, je vhodné DPS pocínovat, a proložit například odizolovaným Cu drátem průměru 1mm. S o něco větším chladičem by pak regulátor měl být schopný se poprat i s proudem 15 či 20 ampér, filtrace 4x4700uF pak již nebude dostatečná pro filtraci usměrněného napětí z trafa.
Ještě bych poznamenal, že i v případě napájení z akumulátoru, tedy tvrdého zdroje se stabilním napětím, jsou kondenzátory na desce NUTNÉ, postačí ale i o něco menší, třeba 4x 2200uF, lépe low-esr typy.

Pokud by někdo chtěl mít nejapné poznámky např. na kondenzátory/odpory, které jsem tam osadil: Ano, použil jsem přesně ten šuplíkový recyklát, protože to stačí. Kondy na modulu jsou Nippon, Sanyo, Samwha, Nichicon. S odpory TR191 já žádný problém nemám, a pokud někomu u nich padají nohy, nechť se dotyčný naučí pájet

[sharebell]

Pekné až na ten chladič pri elytoch

[Hinsi]

Jo, správná připomínka. Jen si nemyslím, že to je takový značný problém, jako z toho někteří dělají. Ten chladič za chodu nemá 100°C jako běžně ve spotřebce, a toho tepla do elytů se zase tolik nepřenese. To spíš se elyty samy mírně ohřejí proudovým zvlněním, a další výraznou dávkou tepla bude případ, kdy regulátor se vším ostatním zavřete dovnitř nevětrané krabice.
Abych mohl dát chladič od elytů dál, musel bych pak do blízkosti diody/FETu dát blokovací foliový kondenzátor - modul bych tím zvětšil a přidal další nepříliš malou součástku.

Mám to tu teď trvale zatížené 5 ampéry, chladič má teplotu ustálenou asi 30-35°C, na dotek vlažný.. Bohužel se mě někam ztratil termočlánek k multimetru (jsem nasrán ), takže přesnou teplotu nepovím.

[scd]

Hinsi prosím ťa, mohol by si vysvetliť, prečo je použitie tých filtračných kondenzátorov nutné, resp. čo sa môže stať, ak by sa nepoužili vôbec (samozrejme pred napájanie stabilizátora by bola predradená ešte dióda). Ja som ich na PWM reguláciu motora nepoužil a funguje, len teraz neviem, či to môže spôsobovať nejaké problémy, keď tvrdíš, že tam musia byť. Vďaka

[sharebell]

Nevadí aj tak je to super šikovne male jednoduche
Moc by vadilo keby pri tom nie sú žiadne filtračné kondíky ? Samozrejme s tým že by som to napájal jednosmerným stabilizovaným napätím.

[jezevec]

Ta baterie elytů C1-C4 je tam zbytečná, pokud by byl motor napájen jen usměrněným pulzujícím napětím, stačí dát před R1 diodu. Ještě bych dal do gate odpor proti zemi (1k), D2 je teď vlastně v "luftě".

[Hinsi]

S těmi kondy se to má tak: Přívodní dráty k regulátoru mají indukčnost. Když sepne mosfet, drátem začne téct proud. Při vypnutí mosfetu jsou tyto parazitivké indukčnosti "naprouděné" a snaží se své energie zbavit tím, že udělají napěťovou špici, zákmit, no prostě bordel.
Co to bez kondů způsobí: Vyšší ztráty v obvodu, jelikož se ty napěťové špičky budou vyhřívat na polovodičích v regulátoru. Taková špička může mít klidně pár jednotek volt, s dlouhými dráty které nejsou blokované kapacitou to pak může být i několik desítek volt, jelikož čas vypnutí MSOFETu je velmi krátký. Veď vztah U = L * dI/dt většina z vás zná, takže je poměrně jasné, co dělá indukčnost při prudkých změnách proudu.
Indukčnost vodiče je přibližně 1uH/m. Budeš-li tam mít přívodní šlahouny metr dlouhé, tedy celkem 2m vodiče, bude indukčnost 2uH. Dráty nám teče 10 ampér, a MOSFET se vypne během několik stovek ns, kdy nám proud 10A klesne na 0. Dosadíme: U = 2uH * 10A / 300ns = 67V. To se tomu MOSFETu líbit nebude. Výkonové MOSFETy dnes jsou tzv "avalanche rated", při překročení mezního Uds se tedy zachovají jako velká zenerka, a celou energii nabitou v indukčnostech vodičů na sobě vytopí.
Kdyby tam byl bipolární tranzistor (NPN), mohl by se prostě prorazit.
Čím rychlejší a větší změna proudu, tím vyšší indukované napětí. Proto musí okruh FET-DIODA mít co nejmenší parazitní indukčnosti a hned vedle toho musí být blokovací kondík, který sníží impedanci drátů v místě odběru energie.

Teoreticky by stačil foliový blokovací kondenzátor několik uF. I prakticky se to tak občas dělá, ale je to prasárna, jelikož takto malý kondenzátor sice pohltí úspěšně energii z indukčnosti přívodů, avšak celými přívody se nám šíří pulsní proud o zvlnění 10A peak-peak. Vyzařuje se více rušení do okolí, a když třeba budete pulsním proudem vybíjet akumulátor, vybije se rychleji, než je odpovídající střední hodnota proudu. Efekt je např. velmi výrazný u olověných akumulátorů. (ale tohle je na samostatnou diskuzi).
Použijí-li se kondenzátory schopné pohltit celé proudové zvlnění, přívodními vodiči teče v podstatě jen stejnosměrný proud, odpovídající střední hodnotě. Vodiče od zdroje k regulátoru pak mohou být téměř libovolně dlouhé.
Ve výsledku se to pak chová tak, že při malé střídě kotvou motoru může tect například 1 ampéra (U na kotvě bude cca 1V), zatímco na zdroji čtete pouhých 50mA při 24V a zvlnění proudového odběru bude prakticky neměřitelné.

Takže ano, vadí když tam nebudou kondíky. A bude to vadit tím víc, čím větší proudy obvodem potečou.
Např. vyřešit tento problém u impulsního zdroje/regulátoru se vstupním údajem 12V 100A není vůbec žádná prdel. Tam i s poměrně hustodémonskými sadami blokováků jsou pak napěťové špice pár desítek volt. Energie v parazitních indukčnostech roste s kvadrátem proudu, veď známé E = 0,5 * L * I^2. V pár metrech drátu při 100A je už pak dost energie na řádnou devastaci křemíku.
Pokud to chceš živit z akumulátoru, dej tam kapacity 4x 2200uF na 16V (12V aku) nebo 35V (24V aku), doporučuji Low-ESR (nízkoimpedanční). Dyť tyhle malé stojí celkem prd.

Jezevče, dycky se najde někdo, kdo má o kolečko víc, že? Nevím, co myslíš tím, že je D2 v luftě. Utři si brýle a podívej se znova. Odpor Rgs by byl zbytečná součástka. Gate je v klidu stažen k zemi. A že je tam vakl cca volt (Ube+Ufwd), ono to snad něčemu vadí? Nechceš-li tam C1-C4 s plnou kapacitou, dej tam MKP blokováky 2x 1uF. A stejně si myslím, že ani to by nestačilo, jelikžo pulsním proudem bude buzená celá rozptylová indukčnost síťového trafa, která je značně velká. Takže tohle se naprosto zamítá.
1k Rgs aby tam valilo zbytečných 15mA navíc. Opravdu zbytečnej nápad, nevím ani k čemu.

[Hinsi]

Abych se vyhnul dalšímu nesmyslnému útoku Jezevce na něco, čemu možná ne tak úplně rozumí, trochu problém rozvedu:

Pro příklad vezmu toroid 230V/20V 100VA. Jeho změřená Lrozptylová je 50uH. (U EI s vinutím na sobě nebo nedejbože dělená kostra, bude rozptyl N-krát vyšší!)
Vezmu to od začátku: Indukčnost sítě v místě odběru je asi 500uH. U trafa 230/20V bude přetransformovaná impedance na sk. cca 100x nižší, tj 5uH. K tomu se nám přičítá rozptyl a parazitní L vodičů. Celkem máme přes 50uH. To je na frekvenci 16kHz poměrně značná impedance, proto si dovolím transformátor aproximovat zdrojem proudu. Potom můžu užít vztah I = C * du/dt, a snadnou úpravou dostaneme výpočet blokovací kapacity pro zvolené maximální napěťové zvlnění. Nejvyšší bude při střídě 50%, tedy dt=0,5/f a I = 0,5*Ijm. Dostaneme: C = I / (4*f*dU).
MOSFET máme například IRFP064N, tedy 55V Uds max, sekundár poskytuje vrcholkové napětí 20V*sqrt(2), dejme tomu cca 28V. S připočtením +10% tolerance sítě je to skoro 31V. Rezerva je tedy 55V - 31V = 24V. Tam se musíme s rezervou vejít s naším napěťovým zvlněním: du ve vzorci je hodnota peak-peak. Do rezervy 24V se vejde s rozumně 15V navíc, tedy du=2*15=30V. Dosadíme do vzorce odvozeného výše: C = 1 / (4*16000*30) = 5,2uF.
Protože aproximaca trafa zdrojem proudu není úplně dokonalá, bude zvlnění du prakticky ještě vyšší. Takže vhodná blokovací kapacita bude tak 10uF.

Už si rozumíme?

//Teď jsem ještě diskutoval s kamarádem, co se vrtáme spolu v silovce.. říkal, že zvlnění 30V na kondu, které jsme tam dovolil, je kravina, že prý tak pár volt. Což celkem chápu. Takže dosadíme znova, s du 5V. (kolega doporučil 2V, tak jsem ještě slevil)
Vyjde minimální blokovací kapacita 32uF !!!
//Napěťové zvlnění, je vhodné mít tedy na/pod těmi 10% jmenovitého napětí (proto ty ca 2 volty). Obdobně je tomu pak u regulace toho DC motoru, kdy proudové zvlnění kotvou je doporučené držet na/pod 10%.

[scd]

Hinsi, veľká vďaka za obšírne vysvetlenie aj s názornými výpočtami.
Takže už viem prečo sa mi ten môj mosfet a dioda, tak zahrieva.
Teraz tak od oka, na 24V/10A by patrilo aspoň 8x4700uF ?

[Hinsi]

Nemáš zač. Pro 24V 10A ti stačí těch 4x4700uF, které jsem dal na desku - právě přesně na to jsem to navrhoval. Napěťové zvlnění při 10A odběru na té filtraci bude pak asi 15% (myslím nyní zvlnění v důsledku filtrace 100Hz pulzů, vysokofrekvenční zvlnění na kondech z důsledku spínání regulace bude zanedbatelně malé - však si to zkus dosadit zpětně do toho vzorce)
Sekundární napětí pro 24V střední napětí na filtraci bych dal trafo právě těch 20V~. Naprázdno tam bude tak 27V, po zatížení budou maxima ca 26V, minima 22V.

//grec dej aspoň 25A

//Pro 12V motor potom trafo ca 11V~, a filtraci doplnit aspoň dvě další flašky 4700uF.

[scd]

OK, vyskúšam.
Len problém bude asi aj s tým trafom. Pôvodne som chcel dávať 19V~, no nakoniec je v tom zariadení 24V~ centrálne trafo, čiže pri použití filtračných kondenzátorov tam bude naprázdno až cca 33V, pri záťaži teda asi okolo 28V, a neviem čo ten 24V motor na to povie. Myslíš že to bude veľký problém?

[Hinsi]

Nejspíš na to nepoví nic. Stačí, když omezíš nějak maximální střídu. Napětí na kotvě je vpodstatě střída krát U zdroje, takže pokud máš motor 24V a na zdroji 28V, tak je to 24/85 = 0,86 ... tedy 86%. (samotná TL494 má hardwired limit v čipu na 92-97%.. podle toho, jak se povede čip a která firma jej pajcovala).
Nejspíš se ale nestane nic ani když to neomezíš, stačí si pohlídat, abys nepřekročil provozní proud motoru. On si to vyšší napětí vykompenzuje zvýšením otáček.
Omezení střídy realizuješ v pohodě tím, že ten poťák 10k/N z té strany co vede na GND podložíš odporem, nebo trimrem 1k-2k5 a nastavíš kam potřebuješ.

//Jen ještě pozor na jednu věc, 24V trafo se započtenou tolerancí sítě +10% ti naprázdno udělá o něco víc jak 35V! Kondy ve filtraci by to chtělo na vyšší U. Pokud seženeš 40V, tak se to dá použít, jinak 50V. Ale 4G7/50 jsou už velké flašky, to už budou snapiny a levné to úplně nebude. (do desky se ti navíc nevejdou, průměr bude asi 22,5mm; na desce je to pro 18mm). Jináč vyhověly by třeba Snapiny od Samwhy, jsou relativně levné a dostatečně kvalitní. I ten Jamicon by šel, jenže ten dnes moc na pultech k vidění není, na rozdíl od Hitána, které bych na aplikace do silovky vůbec nedoporučil.

[scd]

Super, aj som si myslel len som to chcel mať potvrdene
Takže by sa teda mal dať pri nastavenej max cca 50% striede prevádzkovať bez veľkých problémov aj 12V motor?
S tými kondenzátormi mi to je jasné, že nebudem môcť použiť 35V, to už pri 33V by bolo veľmi na hrane, takže tým 50V sa bohužiaľ nevyhnem.

[Hinsi]

Ano, při 50% bude střední napětí na kotvě poloviční. Z kolegy jsem právě vytáhl, že zvýšení U zdroje na dvojnásobek a střída na polovinu, způsobí zvýšení ztrát v železe motoru asi o 10-20%. Čili nic tragickýho, a klidně můžeš tak. (4 násobné U a střída 0,25 pak udělá cca dvojnásobnou ztrátu, podle mě to je tak rozumná mez, kdy už dále U nezvyšovat. V případě nutnosti se pak zamyslet nad přídavnou tlumivkou k motoru)

[Hinsi]

Ještě pro zvídavé. Píchl jsem to znova na škopek, a změřil to, co se indukuje na těch pár cm vedení mezi elyty a tranzistorem. A to jsou ta vedení zkrácená na minimum (snažil jsem se ) a blokování relativně slušné. Kdo má po ruce nějakou doprasenou regulaci, nechť si píchne osciloskop mezi source fetu a katodu diody... a pozor, neomdlívat
Žlutý kanál je napětí na polovodičích, střídavá vazba 5V/div, modrý kanál jsem ukradl kdesi poblíž gate, je tam jen pro info, aby bylo vidět, že ty "bordely" se objevují právě v okamžicích spínání a rozpínání FETu (a v neposlední řadě proto, že se na ten obdélník líp synchronizuje oscík )
Tato a podobná měření trochu kazí i fakt, že část nepořádku se tam dostává indukcí do sondy osciloskopu. Zde je tato složka naštěstí zanedbatelná, zkoušel jsem sondu nakrátko. Takže změřené průběhy jsou poměrně dost realistické. Parazitní napětí indukované do sondy zde je jen nějaký asi 1V a takový maličký kopeček délky 40ns. Oproti tomu, co se tam děje je to zanedbatelné chyba.

Málem bych zapomněl na jednu podstatnou informaci, měření bylo prováděno při proudu 4A. Při 10A tam ty chlupy ještě celkem nakvetou.

[sharebell]

úplne super toto proste relatívne jednoduchá vec a super obkec k tomu
od tohoto pána by som si rád pozrel viac vecí

[pettter]

No Hinsi, nosím klobúk (australák) a ten teraz "smekám" v hlbokom predklone!
Idem ho odhodiť do diaľky a odchádzam sa hanbiť za roh, že aký som sprostý...
Dík za skvelú konštruktérsku školičku! A ďalšia sa chystá pri tom zdroji z KTE, vieš...

Ty počuj, Ty by si mohol články písať. A aké by boli šťavnaté! Napr.: ..."ale 4G7/50 jsou už velké flašky" ... "píchl jsem to znova na škopek"... a p, čitateľné ako skvelý román! Kokos, to nemá chybu.

Hej admini, moderátori, "TO JE ON"!!! Naštartujte honorárový účet...

K+ nekompromisne!!!

[Hinsi]

Ty počuj, Ty by si mohol články písať. A aké by boli šťavnaté! Napr.: ..."ale 4G7/50 jsou už velké flašky" ... "píchl jsem to znova na škopek"... a p, čitateľné ako skvelý román! Kokos, to nemá chybu.

Já kdysi i články písal, na svůj web. Dávno už několik let zrušený. No co, mám rád srandu. A nakažen z kolektivu z bývalého mládežnického elektro klubu v Příbrami... Velký elektrolyt = flaška, kýbl, kbelík. Osciloskop: škopek, ošklivoskop (v případě že to byla nějaká hnusná tesla nebo rus).. Podle mě to není nijak výrazně ojedinělé výrazivo.

[danhard]

Flašky jsou flašky, kýbl je kýbl a škopek je škopek, tak to nepleťe

Je zajímavý, že nikoho nezajímá bordel, který leze do motoru a který vyzařuje a ruší jak kráva

[Hinsi]

Danhárde, zajímá, ale moc se s tím dělat nedá - nebo snad áno? Leda bys musel proud/napětí filtrovat tlumivkou už na desce regulátoru. (Nebo jak pohonáři s oblibou říkají, dát za měnič výstupní reaktor ) Též můžeš k motoru tahnout např kabel CMFM, nebo prostě a jednoduše, regulátor dát co nejblíž motoru, a natáhnout si dálkově kabel od poťáku - to už jsem tu taky psal (snížit impedanci, a třeba LiYCY 2x0,14)
Nebo jak bys to řešil ty Danharde?

Pokud se dokopu k udělání toho druhýho modulku včetně momentový regulace, tak tam (i z jiných důvodů) dám tlumivku přímo na desku.