Jump to content
  • entries
    48
  • comments
    1134
  • views
    51154

Высоковольтный Н-мост

Falconist

1724 views

Понадобилось мне управлять коллекторным мотором мощностью 200 Вт, питаемым от сети 230 В, с возможностью регулировки скорости и направления вращения ротора. Если со схемой низковольтного Н-моста никаких особых заморочек не существует, то при высоковольтном питании повыползали сложности, в первую очередь с комплектовкой "верхнего" ключа, поскольку ассортимент мощных высоковольтных транзисторов прямой проводимости (P-N-P) весьма скуден. Да и маломощные не блещут широтой ассортимента. То же касается и полевых транзисторов с Р-каналом. Схема - "классическая", на биполярных транзисторах, но дополненная и расширенная: 

1003663197_-.GIF.28488d5b1c04a9669922f6d10e683d91.GIF

Обойти эти "грабли" удалось применением в верхнем ключе составных транзисторов (P-N-P + N-P-N) по схеме Шиклаи (VT3VT6 - VT7VT9). Для нижнего ключа (VT4VT5 - VT8VT10) обошелся схемой Дарлингтона. Составные транзисторы для нижнего ключа пришлось применять из-за довольно большого номинала резисторов R4R10, не обеспечивавшего достаточного тока в базы VT5 и VT8. ШИМ-ирование осуществлялось закорачиванием баз транзисторов VT2 и VT11 на общую шину транзисторами VT1 и VT12. Конечно, развязку можно было бы сделать и диодами, но где уже применено 10 транзисторов, еще пара копеечных погоды не сделает.

Схема заработала сразу, без каких-либо нареканий. 

  • Like 3
  • Thanks 1
  • Upvote 3


26 Comments


Recommended Comments



До какой частоты ШИМ остаётся более-менее приемлемым нагрев MJE13005? Составной транзистор - вещь не быстрая...

Share this comment


Link to comment

Я ШИМ-ировал с частотой около 10 кГц (чтобы не было особо слышно "пения"). Транзисторы стояли на радиаторе от компьютерного БП через слюдяные прокладка (у меня осталась пачечка слюды, использую вместо Номакона). На ощупь где-то градусов 40 (немного теплее, чем ладонь).

5 минут назад, Lexter сказал:

Составной транзистор - вещь не быстрая.

С чего это вдруг? В УМЗЧ - быстрая, а в ключе - вдруг ни с того, ни с сего, нет? Если хочется побыстрее - надо ещё уменьшить номиналы база-эмиттерных резисторов.

Share this comment


Link to comment
4 часа назад, Lexter сказал:

Составной транзистор - вещь не быстрая...

 не, там напряжение насыщения больше, а "скорострельность" - частотные свойства - наЙоборот - лучше. :)

 

Share this comment


Link to comment
Lexter

Posted (edited)

@Falconist , @KRAB . Не собираюсь спорить. Надо было ограничиться только вопросом. :D

Хотя... Каскодную схему тоже иногда называют "составным транзистором"... В этом случае вы были бы правы.

Со мной дальше спорить не надо. Поздно меня на путь истинный наставлять. Спорьте с учебн с википедией что ли... там правки вносить можно.

Представляю, как вы там авторов "раскатаете". Они вообще вон какую крамолу, да ещё так категорично заявляют:
 

Цитата

 

Недостатки составного транзистора:

Низкое быстродействие, особенно в ключевом режиме при переходе из открытого состояния в закрытое. Поэтому составные транзисторы используются преимущественно в низкочастотных ключевых и усилительных схемах, работающих в линейном режиме. На высоких частотах их частотные параметры хуже, чем у одиночного транзистора.

 

 

Edited by Lexter

Share this comment


Link to comment

Не знаю таких единиц измерения, как "хуже" или "лучше". На СКОЛЬКО? Или во сколько раз?

Share this comment


Link to comment

@Falconist , у биполярных транзисторов присутствует эффект насыщения, на выход из которого надо до нескольких микросекунд, см. даташиты. Это значит пологий фронт. В составных, к тому же, вторая ступень вообще не насыщена, значит, потери К-Э Шиклаи будут несколько Вольт. Чем больше ток базы и меньше ток коллектора - тем глубже насыщение, и больше накопленный заряд. Именно по этой причине в АТ схеме с биполярным полумостом использована такая хитрая схема раскачки. Она не допускает глубокого насыщения, и в ней приняты меры по удалению избыточного заряда из базы. Поэтому, схема работоспособна и держится до сих пор. Управлять в ключевом режиме биполярниками как-то по-другому - значит столкнуться с целым букетом их негативных свойств. В усилительном режиме транзисторы не насыщаются, поэтому, его здесь не надо приводить в пример.

H-мостом на полевиках не обязательно рулить до отсечки в плюс. Достаточно дать 96-97% заполнения на драйвер полумоста (типа IR2104 - обязательно 1 входовый, можно и мощнее). Незначительное недоиспользование напряжения питания, думаю, не есть большая проблема.

Цитата

ШИМ-ирование осуществлялось закорачиванием баз транзисторов VT2 и VT11 на общую шину транзисторами VT1 и VT12.

Вы закорачиваете на массу базы верхних ключей. А эмиттера какой потенциал имеют в данный момент ? А если двигатель продолжает вращаться и вырабатывать большую противоЭДС, она будет приложена между эмиттером Шиклаи и его закороченной на массу базой ? Он выдержит такое ? 

Я избегаю в драйвере верхнего ключа притягивать базу к земле силой. Лучше делитель из двух резисторов. Один смещает в плюс, другой - ограничивает ток базы, если что не так.

Что-то не вижу я Вашей схемы, странно...

Share this comment


Link to comment
Vslz

Posted (edited)

Дорисуйте источник противоэдс и станет ясно, что диоды ей никак не мешают. При свободном выбеге, когда мотор останавливается, на клеммах мотора вполне может генерироваться приличное напряжение, даже при заглушенном ШИМ. А может и не генерироваться - в зависимости от типа возбуждения. Но предупрежден - значит ;)

1003663197_-.GIF.28488d5b1c04a9669922f6d10e683d91.gif.05f12a60b2783842670c9733269dc2c6.gif

Теперь вижу схему. И резисторы в базе высокоомные. Поэтому, ничего базам, скорее всего не будет, есть шунтирующий б--э резистор. 

Вы разрываете диагональ сразу 2мя ключами. Из-за этого, на двигателе возникает выброс, ограниченный диодами, равный 325В. Это приводит к быстрому и полному размагничиванию мотора, ток спадает до нуля. Как в схеме косого моста. Чего в этом плохого ? Перемагничивание железа на частоте 10кГц по полной программе от + к - :huh:. И свист будет, конечно, куда сильнее, чем с блокирующим диодом. Для ШИМ требуется, наоборот, интегрирование импульсов напряжения (за счет L мотора), с поддержанием тока в паузе. Мотор для этого шунтируют диодом (или ключом). То есть, если ШИМить, то только верхними ключами. Или нижними. 

 

Edited by Vslz

Share this comment


Link to comment

Я может че не понял, а не проще ТГР + 4GBT транзистора? Чем такой огород городить.

Share this comment


Link to comment

Если Вы считаете, что так проще - реализуйте. Отпишитесь, что получится.

Share this comment


Link to comment

Действительно, к чему был Ваш пост? Я отписался о выполненной разработке в своем блоге. ВСЁ!

Share this comment


Link to comment

Вот и было интересно, почему был выбран именно этот путь. А не другой? Ну раз так, то и ладно.

Share this comment


Link to comment

Один из немаловажных факторов - ВСЕ детали были извлечены из загашников. Ничего не покупалось. 

Второй фактор - нужно было апробировать высоковольтную схему Шиклаи для еще одного проекта, что получилось. И неплохо.

Что же касается замечаний @Vslz несколькими постами выше о малом быстродействии составных транзисторов, то глянул на параметры составных транзисторов Дарлингтона КТ825/КТ827. Граничная частота усиления (т.е., когда оно становится равным единице), составляет у них 4 МГц. Если это "медленно" для 10...50 кГц, то я тогда ничего не понимаю в электронике. При том, что номинал встроенного базо-эмиттерный резистора второго транзистора (если не изменяет склероз) составляет целых 30 кОм. Порыскал по Интернету, чтобы найти пруф этому значению - и не нашел. Везде приводится схема их АНАЛОГА, составленного из двух отдельных транзисторов

1570893004_827.jpg.adb9889bfa9daf32a3b9cb2890f0e509.jpg

с номиналом этого резистора 180 Ом, по-видимому, "передранному" из внутренней структуры TIP127

1990275190_TIP127.jpg.5ad837517b236e416ea9544b4641a4c0.jpg

У мощных MJ15015/15016 он составляет ВСЕГО 40 Ом!!!

1867711136_MJ11015.png.a86c546f325f03a5c70951c4e248e313.png

И у даже у относительно маломощных наборов ULN2003 - 3 кОм

886351857_ULN2003.jpg.95a80f6959fe6d1a626fcc301a8b2287.jpg

А у составных КТ829 номинал этого резистора имеет вообще дичайшее значение - целых 60 кОм (ШЕСТЬДЕСЯТ, Карл!)

1036608632_829.jpg.cbf00a263fbf3687f90e9cf4af6abc3a.jpg

С такими номиналами, естественно, неосновные заряды из базы рассасываются неприлично долго. 

У меня же между базами и эмиттерами мощных транзисторов стоят резисторы номиналом всего 470 Ом. И это для коллекторных токов порядка 1 А и рабочей частоты всего 10 кГц.

Так что при всем моем глубоком уважении к профессионализму @Vslz , с его мнением по данному вопросу я согласится не могу. Тем более, что схема работает без нареканий.

Share this comment


Link to comment
Vslz

Posted (edited)

12 часов назад, Falconist сказал:

у составных КТ829 номинал этого резистора имеет вообще дичайшее значение - целых 60 кОм (ШЕСТЬДЕСЯТ, Карл!)

опечатка. Правильно - 60 Ом (или 60R?). Первый транзистор в сборке Дарлингтона всегда имеет более высокоомный шунтирующий б-э резистор .

12 часов назад, Falconist сказал:

У меня же между базами и эмиттерами мощных транзисторов стоят резисторы номиналом всего 470 Ом.

резистор 470 Ом стоит в базе мощного, второго (в сборке Шиклаи) ключа, который и так не насыщается.  Не может - потому, что для насыщения потенциал базы должен быть выше коллекторного.

Насыщается первый MPSA94. Его Б-Э резистор - 4,7кОм высокого сопротивления. На него в даташитах не удалось найти времени рассасывания заряда в базе. Однако, есть графики на его комплементарную npn пару MPSA44 (утверждается, что у него идентичные характеристики). Из графиков видно, что ts~3,5 мкс. Это столько будет отключаться первый транзистор сборки Шиклаи. Второй транзистор управляется первым, и не сможет отключиться, пока ток коллектора MPSA94 не станет нулевым. Что-то типа токового хвоста в IGBT. Соответственно, и вся сборка Шиклаи будет выключаться не быстрее нескольких микросекунд. Лучше, конечно, это проверить осциллографом, если есть такая возможность.

12 часов назад, Falconist сказал:

ВСЕ детали были извлечены из загашников. Ничего не покупалось. 

не обязательно использовать покупные драйвера. Китайцы собирают H-мосты на нескольких деталях из рассыпухи. "Сквозняков" в них нет, устроено просто. Ключи - мосфеты. У этих мостов применение - в DC-AC инверторах (320VDC=>220VAC), поэтому, 10кГц шим они не потянут без доработки. Если, конечно, в загашниках есть мосфеты.:rolleyes:

Edited by Vslz

Share this comment


Link to comment
Vslz

Posted (edited)

12 часов назад, Falconist сказал:

Граничная частота усиления (т.е., когда оно становится равным единице), составляет у них 4 МГц.

это не то, что характеризует ключевые биполярные транзисторы. У MJE13009 граничная частота ровно такая же, 4МГц, однако, никто не думает заменять их сборками Дарлингтонов или Шиклаи, хотя, вроде, можно сильно сэкономить на потерях в цепи управления. Потому, что у таких сборок отсутствует возможность принудительного запирания второго, мощного транзистора. Подтяжка резистором - пассивное запирание. В результате, сборка Дарлингтона будет иметь намного бОльшие ключевые потери. У Семенова неплохо описаны процессы выхода из насыщения.

Семенов_Силовая электроника. От простого сложному. - 2005.djvu

Edited by Vslz

Share this comment


Link to comment
10 часов назад, Vslz сказал:

второго (в сборке Шиклаи) ключа, который и так не насыщается

Не насыщающиеся транзисторы с диодами Шоттки в ТТЛШ серии работают быстрее "стандартных" ТТЛ. Или я ошибаюсь?

Share this comment


Link to comment

да, не насыщающиеся транзисторы не тратят столько времени на рассасывание заряда в базе, поэтому, выключаются быстрее. Но первый транзистор в сборке Шиклаи или Дарлингтона - насыщается по самое не хочу.

Share this comment


Link to comment

Смоделировал работу ШИМ с верхним ключом Шиклаи и нижним диодом. Номиналы б-э сначала брал оригинальные, затем немного скорректировал для ускорения запирания. Результат - в принципе, приемлемый.

С оригинальными номиналами Б--Э: Тепловыделение ключа при токе мотора ~600мА - 2Вт.

Скрытый текст

2021-02-14_160352.png.e593123d7b402fcbbfa1cfcf97c6ee5f.png

Два насыщающихся транзистора вносят суммарную большую задержку запирания, около 11мкс. Время спада тока - 1 микросекунда.

Скрытый текст

2021-02-14_161221.png.41619467b3912761a11e5263591b900e.png

Уменьшил Б-Э резисторы, добавил форсирующий конденсатор на вход, добавил шунтирующий резистор Б-Э входному ключу.

Тепловыделение ключа уменьшилось вдвое.

Скрытый текст

2021-02-14_162632.png.7ccc2528b5488b99711b45a718c26d5b.png

Более, чем вдвое сократилось время спада тока и в несколько раз - время задержки запирания.

Скрытый текст

2021-02-14_163150.png.ad476ba664f71cf5b00e93f81f24e160.png

Я использовал немного другие ключи - 13003 вместо 13005, и MPSA92 вместо MPSA94, думаю, что это не принципиально для понимания.

Share this comment


Link to comment

Join the conversation

You are posting as a guest. If you have an account, sign in now to post with your account.
Note: Your post will require moderator approval before it will be visible.

Guest
Add a comment...

×   Pasted as rich text.   Restore formatting

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.

Loading...
×
×
  • Create New...