H мост на биполярных транзисторах: H мост на биполярных транзисторах. Н-мост и схема работы для управления двигателями. Схема простого H-моста на кремниевых транзисторах

Содержание

Про эволюцию модулестроения или как правильно управлять двигателями постоянного тока


Так сложилось, что последние 11 лет меня буквально преследуют проекты, в которых нужно управлять двигателями постоянного тока. Эта задача не такая простая, как может показаться на первый взгляд. Спустя все эти годы, я наконец, пришел к пониманию, как должен быть устроен правильный драйвер и хочу поделиться своими знаниями 🙂


Предыдущее(2014) и последнее(2017) поколения моих универсальных модулей управления двигателями постоянного тока.


Впервые задача разработать подобный драйвер, в более менее серьезном виде, встала передо мной в 2006 году, когда я был в бауманском роботоклубе. Нужно было сделать устройство для плавного управления мотором с напряжением 12В и током до 3-4А. Тогда я сделал свой первый Н-мост — простейшая схема из четырех транзисторов, которая позволяет по сути подключать каждый из выводов мотора к плюсу либо минусу питания. Но нормально он так и не заработал 🙂

Принцип работы, казалось бы очень простой — открываем, допустим, нижний левый и верхний правый транзисторы — мотор крутится в одну сторону. Открываем другую пару транзисторов — мотор крутится в другую сторону.

Но есть один нюанс, а на самом деле нюансов много. За неимением времени и желания писать полноценную статью книгу, тем более такие статьи циклы статей уже написаны и гораздо лучше, чем написал бы я (ссылка внизу поста) — лишь в общих чертах расскажу, о некоторых самых основных подводных камнях.

На фотографиях оба модуля имеют очень схожий функционал — оба позволяют плавно и бесшумно управлять двигателями 12В с током до 15-16А в кратковременных режимах и до ~8А в постоянном режиме. При этом нагрев маленького модуля без радиатора меньше, чем большого с радиаторами.

В принципе, большинство сложностей возникает из-за ого, что двигателем нужно управлять плавно, менять его скорость. Регулировка скорости в подавляющем большинстве случаев осуществляется с помощью ШИМ (широтно-импульсной модуляции), которая предполагает переключение транзисторов в мосту с относительно высокой частотой. В случае с двигателями, чаще всего частота переключения составляет 20 кГц. При более низких частотах человек начинает слышать противный писк от двигателя, а более высокие частоты доставляют больше хлопот, соответственно выбирается минимально возможная частота, на грани слышимости человека.

1)Транзисторы.

Выбор транзисторов очень важен. Для начинающего же электронщика даташит на полевой транзистор выглядит как китайская грамота. Куча каких-то параметров, куча графиков и ничего не понятно. При этом, обычно, на первой же странице в самом верху, огромным шрифтом пишут один из основных параметров транзистора — максимально допустимый ток. И мне кажется, что очень многих это может вводить в заблуждение (во всяком случае меня вводило). Человек открывает даташит на транзистор, видит, там довольно большой ток, думает, что у него мотор то всего на 3А, значит хватит с головой и ставит этот транзистор, хотя на самом деле он может плохо подходить под его конкретную задачу.

Несколько параметров, которые важны при выборе транзистора:

а)Напряжение на затворе для полного открытия. Некоторые транзисторы можно открыть напряжением 1.5В, а некоторым нужно 5В и более. В целом, чем меньше напряжение — тем лучше. Этот параметр обычно прямо в даташитах не задан, однако обязательно есть график ВАХ транзистора, на котором указана характеристика при разном напряжении на затворе. Из этого графика легко понять, какое напряжение является оптимальным.

Например по этому графику мы видим, что при напряжении на затворе 2.3В — максимальный ток через транзистор может быть только 0.04А. Больший ток просто не потечет. При 2.4В ситуация получше — ток уже может достигнуть 0.4А. Но это все равно плохой режим, т.к. при таком токе на транзисторе будет падать большое напряжение. Как видим, начиная примерно с 4.5В на затворе транзистор может уже спокойно пропускать десятки ампер. при этом падение напряжения на нем будет очень маленьким. Это и есть то напряжение, которое нам нужно подавать на затвор (как минимум) для полного открытия транзистора. Нужно отметить, что этот график дан для температуры 25 градусов, а при нагреве характеристики ухудшаются их можно посмотреть на соседнем графике.

б)Емкость затвора. Как известно, полевые транзисторы управляются напряжением и ток через затвор не течет. Однако, в момент переключения затвор, имеющий паразитную емкость нужно зарядить или разрядить. Чем быстрее это будет сделано (об этом ниже) — тем лучше. Соответственно чем ниже емкость, тем лучше. Обычно в даташитах указывают заряд затвора Qg измеряемый в нанокулонах. Чем меньше — тем лучше.

в)Сопротивление канала в открытом состоянии. Rds(on) — собственно название говорит само за себя. В отличие от биполярных транзисторов, канал полевых транзисторов в открытом состоянии ведет себя как сопротивление. Падение напряжения на транзисторе зависит от тока и может быть вычислено по закону ома. Разумеется, выделяемое тепло на транзисторе зависит от этого сопротивления и тока через него протекающего. При этом вы можете найти два очень похожих на первый взгляд транзистора, с примерно одинаковым максимальным током, но с сопротивлением отличающимся на порядок и более. Разумеется, чем меньше сопротивление — тем лучше. Стоит также обратить внимание на максимальное напряжение Сток-Исток транзистора. Как правило, чем меньше напряжение — тем меньше и сопротивление канала. Не стоит брать напряжение с большим запасом — за это придется расплачиваться нагревом транзистора. Например у приведенного выше IRF530 максимальное напряжение — 100В, как следствие, сопротивление открытого канала 0.115 Ом, а это значит, что при токе 10А он будет греться как утюг, отдавая 11.5 Вт тепла, чтобы отвести столько тепла понадобится огромный радиатор.

В то же время — у моего самого любимого транзистора IRF8788 максимальное напряжение всего 30В. При этом эта крошка в корпусе SOIC-8 в открытом состоянии имеет сопротивление 0.003 Ома (да-да, три тысячных Ома). По сути это все-равно что короткий кусок толстой медной проволоки. Не трудно рассчитать, что при токе 10А, выделяемая мощность на транзисторе составит всего 0.3 Вт, что легко может быть рассеяно небольшим полигоном меди на плате. При токе 20А выделяемая мощность составит уже 1.2 Вт, что потребует более серьезного охлаждения и это примерно максимально допустимый постоянный ток для этого транзистора.

2)Драйвер и тип транзисторов.

Если вы наберете в поиске картинок «Н-мост», то одной из первых картинок будет вот эта:

Эта вредная и неправильная картинка. Если вы соберете мост по такой схеме, то он у вас 99% не заработает (при определенных условиях можно добиться работы этого моста, но эти условия весьма экзотичны).

UPD: Как подсказали в комментариях тут еще и транзисторы нарисованы верх-ногами, так что не заработает 100%.

Почему? Для открытия полевого транзистора N типа (а именно такие транзисторы нарисованы на схеме) нужно подать на его затвор определенное напряжение относительно его Истока (Source). Но к чему у нас подключен исток верхних транзисторов? К мотору (другой вывод которого подключен к земле через нижний транзистор в момент работы). А на моторе у нас какое напряжение? Номинальное, ну скажем стандартные 12В. Т.е. чтобы открыть верхний транзистор, нам на его затвор надо подать 12В+[напряжение открытия], т.е. как правило не менее 17В, а лучше и все 22В(ведь чем больше напряжение — тем меньше сопротивление транзистора), относительно земли. При этом по этой схеме затворы верхних и нижних транзисторов соединены вместе. Но если на затвор нижнего транзистора подать 22В, то он скорее всего просто сгорит, т.к. у большинства полевых транзисторов максимально допустимое напряжение на затворе (относительно истока) — 20В. Кроме того, данная схема может создать иллюзию того, что транзисторами можно управлять с помощью логических уровней, что не верно.

Как же быть? Есть два основных варианта.

а)Чтобы не морочиться с получением напряжения выше напряжения питания — заменить верхние транзисторы на полевики P типа. При такой замене — управление несколько упростится. Для открытия P транзистора его затвор нужно будет подключить к земле, а для закрытия — к питанию. Т.е. получать напряжение выше чем напряжение питания схемы нам уже не нужно. Однако, мы все равно не можем управлять транзисторами с помощью логических уровней (исключая случаи, когда напряжение мотора соответствует напряжению логических уровней). Т.е. нам все равно нужен некий драйвер для управления транзисторами.

Есть и еще одна проблема — P транзисторы обладают более плохими характеристиками чем аналогичные (комплементарные) N транзисторы, кроме того их банально меньше в природе, так что подобрать подходящий транзистор будет сложнее, а греться он будет сильнее.

б)Использовать специальные драйверы, которые умеют подавать на затворы верхних транзисторов напряжение большее, чем напряжение питания, а все транзисторы сделать N типа. Таких драйверов много, но нужно иметь ввиду, что большинство их них используют схему повышения напряжения называемую bootstrap. Она использует переключаемый конденсатор, для повышения напряжения на затворе. Недостаток такой схемы в том, что она не работает если транзистор постоянно включен или выключен. В случае, когда такие схемы используются, например, в импульсных блоках питания — это не страшно, ведь там транзистор никогда не бывает постоянно включен или выключен — на его затвор постоянно подается ШИМ сигнал. В случае же с управлением мотором — такие ситуации не только возможны, а постоянны, т.к. одна из сторон моста обычно не управляется ШИМ сигналом при вращении в одну сторону.

Альтернативой служат драйверы со встроенным источником питания с повышенным напряжением. Обычно это либо импульсный boost преобразователь, либо схема на переключаемых конденсаторах (в отличие от bootstrap — никак не связанная с процессом управления затворами и работающая от собственного генератора).

Но кроме этого есть еще одна очень веская причина использовать специализированный драйвер для управления транзисторами. Дело в том, что как уже было сказано выше — у затвора транзистора есть определенная емкость. Из-за этого нельзя мгновенно перевести транзистор из открытого в закрытое состояние и наоборот — этот процесс неизбежно занимает некоторое время, связанное с зарядкой/разрядкой емкости затвора. В течение этого времени транзистор находится в промежуточном состоянии — не до конца открытом/закрытом. При этом сопротивление транзистора резко возрастает, а значит резко возрастает и нагрев транзистора. Если бы мы не использовали ШИМ, то эта проблема бы вряд ли нас волновала бы, но при использовании ШИМ наш транзистор открывается и закрывается 20000 раз в секунду, соответственно 40000 раз в секунду он находится в промежуточном состоянии и греется.

И вот величина времени переключения очень критична. Представим, что допустим транзистор переключается за 5мкс — вроде не много, но помножим на 40000 и получим 200мс, а это значит, что транзистор 20% времени (0.2с от 1с) находится в промежуточном состоянии и жутко греется. При таком раскладе он очень быстро перегреется и сгорит. Поэтому время переключения нужно делать как можно меньшим и счет идет на десятки и сотни наносекунд!

Для того, чтобы быстро перезарядить затвор и тем самым сократить время, в котором транзистор находится в промежуточном состоянии нам нужен драйвер затвора, который может выдавать большой ток, потому что выходные линии микроконтроллеров, которые, как правило используются для генерации ШИМ и управления моторами большой ток выдать не могут. Типично хорошие драйверы затворов могут выдавать ток 1…5А. Это может звучать несколько парадоксально, что для управления транзистором, который вроде как управляется напряжением и у которого затвор вообще ни к чему не подключен (по сути полностью изолированный микроскопический кусочек металла) нужен драйвер, выдающий несколько ампер (разумеется импульсно). Несколько раз не очень продвинутые электронщики, мне даже не верили, когда я это все рассказывал. Ведь они когда-то приняли за догму «полевой транзистор управляется напряжением», что в общем-то правильно, да вот только с оговорками.

В продаже имеется множество разных драйверов транзисторов для разных задач, с разными характеристиками. Драйвер, на котором в итоге остановился я для управления мостом — MC33883. Простой, в то же время делает все что нужно. В этом драйвере встроена схема повышения напряжения на конденсаторах. У него четыре выхода — два для нижних ключей моста, два для верхних ключей моста и они могут выдавать ток до 1А на затвор. Есть также возможность выключить все ключи с помощью линии ENABLE, что оказалось очень удобно в моем случае.

Еще из интересных драйверов, которые я применяю (только для нижних ключей) — MC33152 и LM5110. Первый на напряжения побольше, второй на напряжения поменьше.

Существуют в природе готовые микросхемы со встроенными и ключами и драйверами. Но у меня с ними как-то не сложилось. Сколько не пробовал — на заявленных характеристиках большинство работать не хочет — перегревается, уходит в защиту. У многих есть режим FAULT, когда они по каким-то причинам перестают работать и не всегда их из этого режима легко вывести. Может быть я просто не умею их готовить, но на дискретных компонентах у меня все отлично работает.

3)Алгоритм управления.

Можно поставить самые крутые транзисторы, выбрать самый лучший в мире драйвер, а схема все равно будет сильно греться и сгорит. Все дело в том, что такой простой, казалось бы штукой, как H-мост можно управлять множеством совершенно разных способов.

Допустим мы захотели крутить двигатель в какую-то одну сторону и включили два ключа, один снизу, второй сверху, слева и справа соответственно. Теперь мы хотим, чтобы двигатель вращался с какой-то промежуточной скоростью. Для этого мы решаем подать сигнал ШИМ на ключи, чтобы часть времени двигатель был подключен к питанию, часть нет. Мы догадываемся, что оба транзистора нам в общем-то отключать не нужно, достаточно отключить один, например нижний, а верхний можно оставить постоянно включенным. Мы подаем ШИМ сигнал на нижний транзистор и вроде бы все вначале работает, но быстро обнаруживаем, что второй верхний (закрытый) транзистор почему-то сильно греется, вплоть до сгорания.

Почему так получается и что с этим делать? Двигатель постоянного тока — индуктивная нагрузка. И это сразу же создает много нюансов при управлении. Как известно, ток на индуктивности не может меняться мгновенно. А значит, что ток, который течет через двигатель в момент закрытия нижнего ключа обязательно куда-то потечет. А потечет он по единственно возможному пути (не считая пробоя и прочего экстрeмизмa) — через встроенный в верхний закрытый ключ диод. На картинке: красным — ток через мост при открытом нижнем транзисторе, синим — ток через мост при закрытом нижнем транзисторе.

При прохождении тока через диод, напряжение на нем, как известно падает, на ~0.8В (зависит от тока и транзистора). При этом, раз напряжение падает, а ток течет — значит на диоде выделяется тепло. При токе 10А выделяемая мощность составит 8 Вт. При ШИМе 50% это будет 4 Вт средней мощности, от чего впрочем не легче — для транзистора в SOIC-8, это однозначно смертельная мощность. Как быть? Очень просто — на время закрытия нижнего ключа надо открывать верхний. Бытует распространенное заблуждение, что ток через полевой транзистор может течь только в одну сторону. Это не так, ток может течь в любую сторону. И если мы откроем верхний транзистор, то ток через него совершенно спокойно потечет.

При этом, как правило, падение напряжение будет в разы меньше, чем на диоде. Ну например в случае с IRF8788, который я упоминал выше, при токе 10А оно составит примерно 0.03В, что в ~26 раз меньше, чем на диоде. А выделяемая мощность составит всего 0.3 Вт, что уже является более чем приемлемым и эквивалентно небольшому нагреву даже для такого маленького транзистора в SOIC-8 без радиатора. Таким образом, верхний ключ с одной стороны моста мы открываем постоянно, а с другой стороны верхний и нижний ключи мы открываем и закрываем в противофазе.

На самом деле, это не единственно возможный вариант — есть и другие способы управления, на замечательный цикл статей о них я дам ссылку внизу поста.

Все было бы хорошо, но с применением данного метода управления ключами мы сталкиваемся с еще одной проблемой. Дело в том, что, как было сказано выше, транзисторы открываются и закрываются не мгновенно, переход из одного в другое состояние занимает некоторое время, даже при применении драйвера. Это приводит к тому, что если мы попробуем одновременно закрыть верхний транзистор в одной половине моста и открыть нижней в ней же, то в течение какого-то времени оба транзистора будут одновременно находиться в промежуточном состоянии. А это означает то, что они фактически будут замыкать между собой питание и землю, что разумеется выразится в большом сквозном токе и большом нагреве. В лучшем случае у схемы просто не очень сильно возрастет ток и нагрев, в худшем все сгорит.

Чтобы избежать этой проблемы нужно открывать и закрывать транзисторы с небольшой задержкой, так, чтобы один сначала полностью закрылся и только после этого второй начал открываться. Такие задержки удобно генерировать средствами управляющей микросхемы. В моем случае это замечательный микроконтроллер серии STM32F030. В нем есть таймер TIM1, который позволяет аппаратно генерировать во-первых ШИМ сигналы в противофазе, во-вторых так называемые deadtime-ы — задержки между переключениями сигналов.

Правильно настроив этот таймер мы можем полностью переложить все управление двигателем на аппаратную часть, в программе нам нужно будет лишь указывать значение ШИМ. Нужно понимать, что слишком большие задержки между переключениями транзисторов тоже плохо сказываются на работе схемы — ведь пока оба транзистора закрыты — ток вызываемый ЭДС самоиндукции будет течь через диод верхнего ключа, что как мы выяснили выше плохо. В общем тут нужна золотая середина.

В результате учета всех этих нюансов, спустя много-много лет разработок и опыта я в итоге пришел к такому миниатюрному решению, которое, тем не менее обладает весьма недурными характеристиками:

При весьма небольших размерах плата может спокойно крутить весьма мощные двигатели. Чаще всего ей приходится крутить двигатели от автомобильных стеклоподъемников с током заклинивания около 16-18А (средний рабочий ток с нагрузкой 4-10А). При этом плата не требует даже радиатора, нагреваясь при интенсивной работе градусов до 50. При этом большая часть тепла на плате исходит вовсе не от транзисторов, а от дорожек и от клемм, которые кстати не рассчитаны на ток больше 8А и являются по сути главным ограничителем максимального тока на плате.

В заключение — нет какого-то одного простого решения при разработке мощных драйверов моторов. Нельзя поставить только хорошие транзисторы или только реализовать правильный алгоритм управления. Решение — комплексное:
-правильно подбираем транзисторы
-правильно подбираем драйверы для управления транзисторами
-правильно подбираем алгоритм управления драйверами

Обещанная ссылка на потрясающий цикл статей про Н-мосты: http://www.modularcircuits.com/blog/articles/h-bridge-secrets/

P.S. Не смотря на приличный объем текста — в посте покрыты лишь самые базовые данные об управлении двигателями постоянного тока, опущенно множество подробностей и тонкостей и вероятно допущены какие-то неточности — не ругайте сильно 🙂

Как-то так 🙂

Параметры и особенности применения современных микросхем управления двигателями постоянного тока фирмы sany

Разработчики радиоэлектронной аппаратуры часто сталкиваются с неувязкой выбора определенных типов микросхем для электропривода движков неизменного и переменного тока, шаговых электродвигателей. Такие микросхемы выпускают многие известные производители полупроводниковых устройств, к примеру Fairchild, Freescale, Infineon, IR, JRC, LTC Maxim, Митсубиши, NEC, NSC, NXP, ONS, SANYO, STM, Sanken, TI, Toshiba, UTC и другие. Общее число наименований выпускаемых этими фирмами микросхем электропривода движков исчисляется сотками. Не считая того, определенные затруднения при выборе определенных микросхем управления движками (драйверами движков — ДД) могут вызвать особенности терминологии, применяемой разными производителями в собственных каталогах и технической документации. Приведем данные по номенклатуре, разделам каталогов 2009 года и терминологии, применяемой некими из перечисленных компаний.

Linear Technology (Милпитас/Milpitas, Калифорния, США). Русские кабинеты продаж (LTC Distributor) находятся в Выборге (JSC Gamma), Москве (Arrow Electronics) и Екатеринбурге (JSC Promelectronics). Компания не выделяет ДД как отдельную категорию микросхем, для внедрения в схемах электропривода могут быть применены микросхемы из каталога Power Management/Power Control. Категории (классы) микросхем: High Side Switches and MOSFET Drivers — «верхние» коммутаторы и драйверы затворов МДП транзисторов (23 наименования микросхем)- Bridge Drivers — мостовые драйверы (4 наименования)- PWM Controllers — ШИМ контроллеры (7 наименований) [1].

Maxim (Саннивейл/Sunnyvale, Калифорния, США). Эта компания базирована в 1983 г., в 2001 г. она заполучила компанию Dallas Semiconductor. Maxim является одним из круп — нейших производителей электрических компонент и полупроводниковых устройств, годичный доход — $2,051 миллиардов (на 28.06.2008). Компания располагает широкой сетью дистрибьюторов по всему миру. Русские консульства находятся в Москве (Avnet Memec, Avnet Silica, COMPEL, Rainbow Technologies C & S), Санкт-Петербурге (Avnet Silica, COMPEL, Rainbow Technologies), Екатеринбурге (Rainbow Technologies C & S), Новосибирске (Rainbow Technologies). В каталоге компании драйверы движков также не представлены как отдельная категория устройств, они могут находиться в разделе каталога Hot-Swap and Power Switching [2], категории микросхем: Low-Side MOSFET Drivers — драйверы затворов нижних полевых транзисторов (28 наименований), High-Side MOSFET drivers — драйверы затворов верхних полевых транзисторов (5 наименований), Half-Bridge MOSFET Drivers (18 наименований) — полумостовые драйверы затворов полевых транзисторов.

Митсубиши Electric Semiconductors. Европейский головной кабинет Митсубиши Electric Europe B. V. находится в г. Ратинген (Ratingen), Германия, имеется консульство компании в Москве (Митсубиши Electric Europe/Moscow Representative Office). Драйверы движков не позиционируются как отдельная категория устройств, их можно отыскать в разделе каталога IC, Semiconductor Sensor [3], категория HVIC (22 наименования микросхем). В разделе Power Modules помещены силовые модули для привода движков переменного тока большой мощности в категориях IGBT Modules — БТИЗ-модули, модули с общим заглавием Intelligent Power Modules (IPM) серий L1/S1/V и ряд устройств других классов.

В ноябре 2002 г. из материнской компании Nippon Electric Company в отдельную полупроводниковую компанию была выделена NEC Electronics. Предприятия новейшей компании находятся в префектурах Ямагата (Yamagata), Сига (Shiga), Кумамото (Kumamoto), Япония, также в США, Малайзии, Сингапуре и Китае. Европейское отделение компании NEC Electronics (Europe) GmbH базируется в Дюссель — дорфе, Германия, президент компании — Тосио Накаяма (Toshio Nakajima). Драйверы движков в каталоге компании [4] сгруппированы в разделе Motor Driver, категория Stepping Motor Driver — драйверы шаговых движков — 2-, 4-, 5-, 6-, 7-канальные мостовые драйверы (16 наименований микросхем). В разделе каталога Motor Control [5] евро подразделения компании предлагаются решения на базе интегрированных в процессоры NEC Electronics драйверов движков. Такие решения позволяют управлять трехфазными асинхронными и синхронными движками переменного тока, коллекторными и бесконтактными движками неизменного тока.

Sanken Electric Co., Ltd (Нииза/Niiza, префектура Сайтама/Saitama, Япония). Эта компания базирована в 1946 г. как Toho Sanken Electric Co., Ltd, переименована в 1962 г. В текущее время компания соединяет воединыжды 9 отделений в Стране восходящего солнца и поболее 10 — за рубежом (Group Company), в том числе компании Allegro MicroSystems, Inc. (Вустер/Worchester, Массачусетс, США), Polar Semiconductor, Inc. (Миннесота, США), Sanken L. D. Electric (Jiang Yin) Co., Ltd (Jiangyin, Китай), европейское отделение Sanken Power Systems (UK) Limited базируется в г. Бридженд (Bridgend), Англия. Президент компании — Садатоси Иджима (Sadatoshi Iijima). Массивные полупроводниковые приборы и микросхемы Sanken отличаются высочайшей надежностью и обширно используются в промышленной, офисной и бытовой радиоэлектронной аппаратуре. В разделе каталога IC/Motor Driver IC [6] ДД сгруппированы в категории: 2-Phase Stepper Motor Unipolar Driver IC — драйверы униполярных двухфазных шаговых движков (37 наименований микросхем)- High Voltage Driver IC — высоковольтные драйверы (30 наименований). Огромную номенклатуру ДД выпускает и компания Allegro MicroSystems.

Драйверы движков неких компаний в особенности обширно используются в серийной аудио-, видеоаппаратуре, бытовой и офисной технике. К таким фирмам, а именно, относятся: Hitachi, RHOM, SANYO, Toshiba и некие другие. Широкая номенклатура, крупносерийное создание и доступность технической документации выпускаемых ДД этих компаний позволяет использовать их для разработки радиоэлектронной аппаратуры различного предназначения. Все перечисленные компании работают в полупроводниковой отрасли долгое время, что дает уверенность в стабильности производства их продукции и в предстоящем.

Компания SANYO Semiconductor Co., Ltd (префектура Гунма/Gunma, Япония) выделена в отдельную структуру в июле 2006 г. из материнской компании SANYO Electric Co., Ltd, ведущей свою деятельность с 1947 г. В состав новейшей компании входят 8 аффилированных производственных и 8 дистрибьюторских подразделений, 3 дизайн-центра. Объем продаж — 1591 миллиардов йен (2007 г.). Президент — Теруо Табата (Teruo Tabata) [7]. Предприятия компании за пределами Стране восходящего солнца размещены в Китае, Таиланде, Вьетнаме, на Тайване и Филиппинах. Европейское дистрибьюторское подразделение SANYO Com-ponent Europe GmbH Semiconductor Div базируется в Мюнхене, сфера деятельности подразделения обхватывает и Россию [8].

В раздел каталога Motor Driver ICs [9] компании включены драйверы шаговых движков (Stepping Motor Drivers, 78 наименований микросхем)- драйверы коллекторных движков (Brush Motor Drivers, 45 наименований)- драйверы бесконтактных движков неизменного тока БДПТ (Brushless Motor Drivers, 113 наименований)- драйверы электрических актуаторов (Voice Coil Motor, 8 наименований), драйверы пьезоактуаторов (Piezoactuator Drivers, 3 наименования)- массивные ОУ (Power Operational Amplifiers, 33 наименования). В предлагаемой статье рассмотрены особенности микросхем драйверов движков неизменного тока из подраздела каталога Brush Motor Drivers, многие из их могут быть применены и в качестве драйверов шаговых движков.

Классификационные технические характеристики микросхем драйверов коллекторных движков из подраздела Brush Motor Drivers каталога компании [10] приведены в таблице 1. Знаками в таблице обозначены: Р — серийные, N — новинка, D — многообещающие (Under Development). Разглядим характеристики и особенности внедрения ряда микросхем ДД более тщательно.

Таблица 1. Классификационные данные микросхем электропривода движков неизменного тока SANYO Semiconductor

Тип

микросхемы Статус Корпус Uпит (VM), B Iмакс

(Io), A Число каналов Особенности LA5587 P SIP5 3,8–16 1,4 1 Контроллер скорости движков неизменного тока LB11650 P SIP14HZ 8–28 1,5 1 Реверсивный ДД с ШИМ/входом LB11651 P SIP14HZ 8–28 3 1 То же LB11651H P HSOP36J (375mil) 8–28 3 1 То же LB1638 P DIP10S (300mil) 2,2–7 1 1 Низковольтный реверсивный ДД с малым Uнасыщ LB1638M P MFP10S (225mil) 2,2–7 1 1 То же LB1641 P SIP10 5–18 1,6 1 Реверсивный драйвер LB1830M P MFP10S (225mil) 3,0–9 0,2 1 Драйвер с неизменным выходным напряжением LB1836M P MFP14S (225mil) 1,8–9 1 2 Может быть внедрение в качестве драйвера шаговых движков LB1837M P MFP14S (225mil) 3–9 0,2 1 То же LB1843V P SSOP20 (225mil) 3–9 0,8 1 Драйвер с токовым управлением LB1930M P MFP10S (225mil) 2,2–10,8 1 1 Низковольтный реверсивный ДД с малым Uнасыщ LB1838T P MSOP8 2,2–10 0,8 1 То же LB1947 P SIP13H 10–45 2 1 Реверсивный ДД с токовым ШИМ/управлением LB1948M P MFP10S (225mil) 2,5–16 0,8 2 Может быть внедрение в качестве драйвера шаговых движков LV8011V P SSOP20 (225mil) 2–6,5 1 1 Полномостовой ДД LV8012T P TSSOP24 (225mil) 2–7 1,4 2 Может быть внедрение в качестве драйвера шаговых движков LV8014T P TSSOP24 (225mil) 2–7 1,4 2 То же LV8013T P MSOP8 2–15 1,2 1 Полномостовой ДД LV8018W P SQFP48 (7X7) 2–3,6 0,5 4 То же LV8019LP N VQLP24 (3,5X3,5) 3–7,4 1,2 1 То же LV8019V N SSOP16 (225mil) 3–7,4 1,2 1 То же LV8075LP N VCT16 (2,6X2,6) 2,5–5,5 0,5 1 Полномостовой ДД с неизменным Uвых LV8080LP P VCT16 (2,6X2,6) 2,5–6 0,4 2 Может быть внедрение в качестве драйвера шаговых движков LV8082LP P VCT16 (2,6X2,6) 2,5–6 0,4 2 Драйвер с управлением по току либо напряжению LV8085CL P ECSP2823/10 2,5–6 0,4 2 То же LV8086T N TSSOP24 (225mil) 2–7 1,4 2 То же LV8400V N SSOP16 (225mil) 4–15 1,2 1 Полномостовой ДД LV8401V N SSOP16 (225mil) 4–15 1,2 1 То же LV8405V N SSOP16 (225mil) 1,5–15 1,4 2 Может быть внедрение в качестве драйвера шаговых движков LV8406T N TSSOP20J (225mil) 1,5–15 1,4 2 То же LV8411GR N VCT24 (3,0X3,0) 2,5–5,5 0,4 4 То же LV8413GP N VCT16 (2,6X2,6) 2,5–5,5 0,4 2 То же LV8731V D SSOP44K (275mil) 9–32 2 2 То же LV8740V D SSOP44J (275mil) 9–32 2,5 2 То же LV8741V N SSOP44K (275mil) 9,5–35 1,5 2 То же LV8741VB N SSOP36J (275mil) 9,5–35 1,5 2 То же LV8760T P TSSOP20J (225mil) 9–35 3 1 Реверсивный ДД с токовым ШИМ/управлением LV8761V P SSOP36J (275mil) 9–35 3 1 То же STK681-200-E P SIP12 (thin type) 10–42 4,2 1 Интегрированная защита по току, напряжению, температуре STK681-210-E P SIP12 (thin type) 10–42 5,2 1 То же STK681-300 P ZIP19 10–42 2 1 То же STK681-310 P ZIP19 10–42 4,2 1 То же STK681-320 P ZIP19 10–42 5,2 1 То же STK681-332-E D ZIP19 (small type) 10–42 10,8 1 То же

Микросхемы LB11651, LB11651H (данные на сентябрь 2003 г.) представляют собой реверсивный полномостовой ДД неизменного тока. Структура микросхем приведена на рис. 1, в ее состав входят: схема управления (Control Logic Circuit)- формирователь примерного напряжения (VREF Circuit)- схема фиксации состояния (Latch Circuit)- узел фильтров (Filter Circuit)- схемы защиты (UVLO, Thermal Shutdown Circuit)- полный мост на биполярных транзисторах В1, В2, Н1, Н2.

Рис. 1. Структура микросхем LB11651, LB116H

Предназначения выводов микросхемы LB11651 (LB11651H):

1, 14 (1, 36, ОА, ОВ)— выходы моста.

2 (8, VLS — Voltage Low Side) — вывод для подключения резистора оборотной связи, при увеличении падения напряжения на резисторе Roс более 0,5 В транзисторы моста запираются.

3 (9, VM) — напряжение питания мотора.

4 (10, VHS — Voltage High Side) — вывод для подключения ограничивающего резистора Rогр.

5 (11, Vсс) — напряжение питания логических схем.

6 (12, ST) — вход включения дежурного режима Standby, режим реализуется при низком логическом уровне (L) либо отключенном выводе.

7 (13, С) — вывод для подключения конденсатора фильтра Сф схем защиты.

8 (23, PWM) — вход для подачи ШИМ-сигналов.

9 (24, PHASE) — вход выбора режима вперед/вспять.

10 (25, BRAKE) — вход включения режима торможения (Brake), режим врубается при высочайшем логическом уровне (Н).

11 (26, GND) — общий корпус.

12 (27, R) — вход управления транзисторами Н1, Н2.

13 (28, DiGND) — корпусной вывод защитных диодов моста.

Главные характеристики микросхемы LB11651 (в скобках даны отличающиеся значения для LB11651H) при температуре среды 25 &#176-C:

Vcc — 3,0–5,25 B — ток употребления по цепи VM без нагрузки — 1,2 мА, в дежурном режиме — менее 50 мкА.

Падение напряжения на открытых транзисторах В1, В2 при выходном токе 2 А — 0, 6 В (0,5 В при токе 1 А), на открытых транзисторах Н1, Н2 — 1,8 В (1,7 В при токе 1 А).

Ток Icc (по цепи Vcc) — 110–125 мА (68–75 мА), в режиме торможения — 4,7 мА, в дежурном режиме — менее 50 мкА.

Напряжения логических сигналов на входах, лог «1» (Н) — более 2 В, лог «0» (L) — менее 0,8 В.

Режимы работы микросхемы определяются логическими состояниями входов управления, приведенными в таблице 2, Н — лог «1», L — лог «0», Х — лог «0» либо лог «1», ХХ — транзисторы моста закрыты. В режиме «вперед» напряжение на выводе ОА микросхемы на холостом ходу равно VM, на выводе ОВ — 0, в режиме «назад» оборотная картина. В режиме «стоп» все транзисторы моста закрыты, при остановке движок некое время крутится по инерции. В режиме торможения открыты верхние транзисторы моста В1, В2, при всем этом движок после отключения питания шунтирован низким сопротивлением открытых транзисторов, что приводит к возрастанию момента силы торможения, и время полной остановки мотора резко миниатюризируется. В режиме ожидания обеспечивается низкое токопотребление энергии источников питания и, в то же время, высочайшая готовность схемы к запуску.

Таблица 2. Логические состояния микросхем LB11651, LB11651H

PHASE BRAKE ST PWM OA OB Режимы H L H H H L вперед L L H H L H вспять X L H L XX XX стоп X H H X H H торможение X X L/отключено X XX XX ожидание

Схема защиты от маленьких замыканий выслеживает ток, протекающий через мост, методом контроля падения напряжения на резисторе Roc, при всем этом регистрируются аварийные ситуации, возникающие при замыкании вывода ОА и ОВ меж собой и пробое транзисторов моста. Величина тока недлинного замыкания определяется по формуле Iкз = 0,5 В/Roc. К примеру, при Roc = 0,125 Ом детектируемый ток недлинного замыкания равен 4 А, что является максимально допустимым значением тока по цепи VM в импульсе (tимп — менее 10 мкс). Так как в схеме защиты имеется схема фиксации состояния, при срабатывании защиты транзисторы моста запираются и остаются в этом состоянии после устранения КЗ. Для продолжения работы следует поначалу перевести микросхему в режим «стоп» либо временно отключить напряжение Vcc. Для обеспечения корректной работы схем защиты при протекании через резистор тока с помехами и шумами к выводу С нужно подключать конденсатор Сф, величина емкости которого определяется формулой:

Tmask (мкс) = 2,6xСф (пФ)/100,

где Tmask — время маскировки, в течение которого схема защиты не реагирует на всплески тока через резистор Rос. При использовании разных величин напряжения питания Vcc вывод R микросхемы подключают к выводу Vcc (при Vcc = 3,3 В) либо оставляют неподключенным (при Vcc = 5 В).

Рис. 2. Структура микросхем LB1638, LB1638M

LB1638, LB1638M (по данным на декабрь 2008 г.) — экономные низковольтные ДД с малым напряжением насыщения главных транзисторов, они отлично подходят для приложений с автономным питанием. Структура микросхем приведена на рис. 2. Режимы работы микросхем определяются логическими состояниями входов управления, приведенными в таблице 3.

Таблица 3. Логические состояния микросхем LB1638, LB1638M

Входы Выходы Режим IN1 IN2 OUT1 OUT2 H L H H вперед L H L H вспять H H L L торможение L L XX XX дежурный

Главные характеристики микросхем при Т = 25 &#176-С:

Напряжение питания Vcc — 2,5–9 В.

Напряжение питания Vs — 2,5–9 В — Icc — менее 40 мА.

Суммарное падение напряжения на откры — тых транзисторах моста Uнас — 0,25 В (при Iвых = 0,2 А), 0,7 В (при Iвых = 0,5 А).

При использовании 1-го источника питания для цепей Vcc и Vs конденсаторы фильтра следует подключать поблизости выводов 3, 1 микросхем.

LB1830M (по данным на февраль 2009 г.) имеет последующие свойства: Vcc — 3–9 B, Icc — 2–5 мА, Uнас — 0,4 В при выходном токе 80 мА, не считая стандартных рабочих режимов (с стопроцентно открытыми выходными транзисторами) микросхема может быть применена в режимах с регулируемым выходным напряжением.

LB1930М (по данным на февраль 2009 г.)— это экономный низковольтный ДД с малым напряжением насыщения. Схема включения и структура микросхемы приведены на рис. 3. Таблица состояний такая же, как у LB1638 (табл. 3).

Рис. 3. Структура и схема включения микросхемы LB1930M

Главные характеристики микросхемы при Т = 25 &#176-С:

Vcc — 2,0–10,8 В-

Icc — 15–20 мА-

Uнас — 0,55 В при токе 0,5 А.

На рис. 4 приведены графики зависимости напряжения насыщения от выходного тока и температуры при разные выходных токах.

Рис. 4. Зависимость напряжения насыщения от выходного тока и температуры микросхемы LB1930M

Фактически все 2-канальные ДД компании из рассматриваемого подраздела каталога могут быть применены как для привода 2-ух коллекторных, так и 1-го биполярного шагового мотора. К таким микросхемам с мостами на биполярных транзисторах относятся LB1836M, LB1837M, LB1948M, Н-мосты с полевыми транзисторами реализованы в ряде микросхем серии LV.

LB1948M (по данным на декабрь 2008 г.) имеет последующие свойства: Vcc — 2,5–16 B, Icc — 15–30 мА, Uнас — 0,5 В при токе 0,4 А. Микросхема может быть применена для привода 1-го мотора при параллельном включении каналов, при всем этом наибольший выходной ток равен 1,6 А. Структура микросхемы приведена на рис. 5. При параллельном включении каналов соединены выводы 2 и 4, 3 и 5, 7 и 9, 8 и 10. Таблица состояний микросхемы схожа таблице 3 (выходам OUT3, OUT4 соответствуют входы IN3, IN4). Схема температурной защиты (Thermal Shutdown Circuit) срабатывает при повышении температуры кристалла микросхемы до 200 &#176-С, при понижении температуры до 125 &#176-С работоспособность микросхемы восстанавливается.

Рис. 5. Структура микросхемы LB1948M

Микросхема LV8012T (по данным на август 2007 г.) выполнена по гибридной технологии БП-КМОП (Bi-CMOS LSI).

Особенности:

диффузионные МОП-транзисторы Н-мостов (D-MOS FET)-

поддержка входных ШИМ сигналов управления-

низкое напряжение насыщения и малая потребляемая мощность-

интегрированный генератор подкачки заряда (ГПЗ).

Рис. 6. Структура микросхемы LV8012T

Структура микросхемы приведена на рис. 6, данные по состояниям сведены в таблицу 4.

Таблица 4. Логические состояния микросхемы LV8012T

EXTRA EN1 (EN2) IN1 (IN3) IN2 (IN4) OU1 (OUT3) OUT2 (OUT4) ГПЗ Режим L H H H XX XX вкл. дежурный L H H L L H вкл. вспять L H L H H L вкл. вперед L H L L L L вкл. торможение L L X X L L выкл. дежурный H H H X L H вкл. вспять H H L X H L вкл. вперед H L X X L L вкл. торможение

В состав микросхемы входят:

схема управления (CMOS Logic)-

схема сдвига напряжения (Level Shift)-

генератор подкачки заряда (OSC, CHARGE_PUMP)-

схема температурной защиты и защиты от пониженного напряжения питания (Lowvoltage, Thermal Protection)-

Н-мосты на полевых D-MOS FET транзисторах (H-bridge 1/2). Предназначения выводов микросхемы:

1, 24, 23, 22, 21, 20, 19 (EN1, EN2, IN1, IN2, IN3, IN4, EXTRA) — входы управления.

2, 11 (VM) — напряжение питания движков.

4, 9 (PGND) — корпус Н-мостов.

5, 6, 7, 8 (OUT4, 3, 2, 1) — выходы Н-мостов.

12 (VG) — выход генератора подкачки заряда.

13 (VCC) — напряжение питания логических схем.

14, 15, 16, 17 (Ch2, CL1, Ch3, CL2) — выводы для подключения конденсаторов вольтодобавки ГПЗ (Voltage raising capacitor).

Главные характеристики микросхемы при Т = 25 &#176-С:

Наибольший импульсный выходной ток — 1,4 А (при tи наименее 0,1 с).

Vсс — 2,7–5,5 В, Icc менее 1,2 мА (на холостом ходу генератора подкачки заряда).

Напряжения сигналов управления Vin — 0— Vсс.

Наибольшая частота следования ШИМ-импульсов — 100 кГц.

Емкости конденсаторов генераторов подкачки заряда — 0,001–0,1 мкФ — Ron—0,75 Ом.

Выходное напряжение генератора подкачки заряда (VG) — 8,5–10,5 В, при подключении к выводу VG нагрузки напряжение миниатюризируется (типовое значение 9 В при токе Ivg = 0,5 мА).

Схема типового включения микросхемы для привода биполярных шаговых движков приведена на рис. 7. При напряжении питания Vcc = 3,3 В напряжение VM должно находиться в границах 1–4 В, конденсатор фильтра Сф должен подключаться поблизости выводов VM, PGND микросхемы. Фактически полным аналогом является микросхема LV8014Т (данные на март 2008 г.), а микросхема LV8086T (март 2008 г.) отличается методом управления (таблица состояний не соответствует таблице 4), отличия характеристик малозначительны.

Рис. 7. Типовое включение микросхемы LV8012T

LV8080LP (корпус VCT16) (по данным на октябрь 2007 г.) — двухканальный ДД с неизменным выходным током (Two channels Constant-current H-bridge Driver). Микросхема выполнена по гибридной технологии Bi-CMOS LSI.

Особенности:

интегрированный стабилизатор напряжения-

компаратор для подключения наружных датчиков положения роторов двигателей-

поддержка 2-фазного и 1–2-фазного режимов шаговых движков (2-phase/1–2 phase drive)-

маленький корпус (размеры 2,6×2,6 мм)-

системы температурной защиты и защиты от пониженного напряжения питания-

Ron — 1,5 Ом при выходном токе 0,1 А и напряжении питания 5 В.

Величина устанавливаемых выходных токов — 0,1, 0,2 А и т. д. (величина тока задается наружным резистором). Подобными способностями владеют микросхемы LV8085CL (по данным на июнь 2007 г.), но в их отсутствует интегрированный компаратор и другой тип корпуса.

Рис. 8. Структура микросхемы LV8406Т

LV8405V, LV8406T (по данным на ноябрь 2008 г.) — двухканальные ДД с D-MOS FET транзисторами и поддержкой ШИМ входных сигналов управления. Структура и нумерация выводов микросхемы LV8406T приведена на рис. 8, в скобках указаны номера выводов микросхемы LV8405V (выводы EN1, EN2, VS отсутствуют). В состав микросхем входят: схема пуска (Startup Control Block)- узел температурной защиты (Thermal Protection Circuit)- схема защиты от пониженного напряжения (Reduced-voltage Protection Circuit)- схема управления (Motor Control Logic)- генератор подкачки заряда (Charge Pump)- Н-мосты на D-MOS FET транзисторах.

Главные характеристики микросхемы при Т = 25 &#176-С:

Наибольший импульсный ток 1,4 А (при tи наименее 0,1с).

Vcc — 2,8–5,5 В.

Icc — 0,85–1,2 мА.

Мощность рассеяния Ррасс — 0,8 Вт (LV8405V), 3,1 Вт (LV8406T).

Наибольшая частота следования импульсов управления fмакс. — 200 кГц.

Напряжение генератора подкачки заряда VG = (Vcc+VS) — 9 В (в качестве источника напряжения VS употребляются цепи VM1 либо VM2).

Ron — 0,75 Ом.

К одноканальным полномостовым ДД (1-channel H-bridge driver) относятся микросхемы LV8011V, LV8013T, LV8019LP/V, LV8075LP, выполненные по гибридной технологии Bi-CMOS IС (LSI) с Н-мостами на диффузионных МОП-транзисторах (D-MOS FET).

Микросхема LV8013T (по данным на ноябрь 2008 г.) поддерживает ШИМ-управление скоростью вращения движков. Ее структура и нумерация выводов приведены на рис. 9, в состав микросхемы входят те же узлы, что показаны на рис. 6. Типовая схема включения LV8013T приведена на рис. 10. Каскад на транзисторе VT1 употребляется для подачи напряжения генератора подкачки заряда с вывода TOUT на наружные устройства.

Рис. 9. Структура микросхемы LV8013T

Рис. 10. Типовое включение микросхемы LV8013T

Главные характеристики микросхемы при Т = 25 &#176-С:

Vcc — 2,7–5,5 B, импульсный ток 2 А (tи

Емкости конденсаторов ГПЗ (С1, С2, CVG1, CVG2) — 0,001–0,1мкФ.

Icc — 0,6–1,2 мА.

Ron — 0,3 Ом.

Выходные напряжения ГПЗ VG1 — 5,4 B, VG2 = VM+VG1 = 17,4 B.

Характеристики аналогичной по структуре микросхемы LV8011V (корпус SSOP20) несколько ужаснее: VM — 2–6,5 B, Vcc — 4,5–5,5 B, fмакс. Микросхемы LV8019LP, LV8019V (по данным на январь 2008 г.) поддерживают режим неизменного выходного тока (Constant Current Output).

Главные характеристики микросхем:

Vcc — 2,7–6 B.

fмакс. — 100 кГц.

Ron — 0,45 B.

Микросхема LV8075LP (по данным на май 2008 г.) поддерживает режим неизменного выходного напряжения (Constant Voltage Control).

Главные характеристики микросхем:

VM/Vcc — 2,5–5,5 B.

Ron — 1,75 Ом.

К одноканальным ДД с ШИМ-управлением выходным током (PWM Current Control) относятся микросхемы LB1947 (биполярная разработка), LV8760T, LV8761V (Bi-CMOS LSI разработка).

Рис. 11. Структура микросхемы LV8760T

Структура микросхем LV8760T, LV8761V (по данным на апрель 2008 г.) приведена на рис. 11. В ее состав входят: ГПЗ (Charge Pump)- формирователь примерного напряжения (Reference Voltage Circuit)- схемы температурной защиты (TSD) и защиты от пониженного напряжения питания (LVS)- генератор (Oscillation Circuit)- схема защиты от маленьких замыканий (Short-circuit Protection Circuit)- драйверы затворов выходных транзисторов (Outpit Preamplifier Stage)- схема управления (Output Control Logic)- схема ограничения выходного тока (Current Limiter Circuit) и выходные транзисторы Н-моста В1, В2, Н1, Н2.

Главные характеристики микросхем при Т = 25 &#176-С: VM — 24 B, Vcc — 5 B, VREF — 1,5 B: Io — 3 A, Pрасс — 3,3 Вт, Icc — менее 4 мА, VREG (вывод REG5)— 5 В, Ron — 0,2–0,32 Ом — частота генератора — 115–165 кГц (типовое значение — 140 кГц).

Рис. 12. Типовое включение микросхемы LV8760T

На рис. 12 приведена типовая схема включения микросхемы LV8760T, в таблице 5 перечислены состояния, а на рис. 13 представлены временные диаграммы, поясняющие метод ограничения выходного тока Н-моста. Определенная величина ограничения тока (Limit Current) определяется формулой:

Iогр = (Vref[B]/5)/RNF),

где Vref = VccxR3/R2+R3 (B), RNR = R1 (Ом). При обозначенных на схеме рис. 12 параметрах величина ограничения тока Iогр = 1,36 А. Маленький логический уровень сигнала на выводе 10 PS (Power Save) переводит микросхему в ждущий режим, при котором ток по цепи Vcc не превосходит 1 мкА.

Рис. 13. Временные диаграммы микросхемы LV8760T

Таблица 5. Логические состояния микросхемы LV8760T

Входы управления Выходы Режимы PS IN1 IN2 OUT A OUT B L X X XX XX дежурный H L L XX XX стоп H H L H L вперед H L H L H вспять H H H L L торможение

Микросхемы ДД серии STK выполнены по гибридно-пленочной технологии (Thick-Film Hybrid IC) и созданы для электропривода движков неизменного тока средней мощности.

Структура микросхем STK681-200-E/210-E (по данным на июль 2008 г.) приведена на рис. 14. В состав микросхем входят: контроллер тока (Current Control), схема температурной и токовой защиты (Overheating Current Control), логические схемы управления и Н-мост, верхние плечи TR1 и TR2 которого выполнены на составных биполярных транзисторах, а нижние—F1 и F2— на МОП-транзисторах. Верхние плечи Н-моста микросхемы STK681-210-E также выполнены на МОП-транзисторах.

Рис. 14. Структура микросхем STK681/200/E, STK681/210/E

Предназначения выводов микросхем:

7, 8 (IN1, IN2) — входы управления Н-моста.

12 (INH) — вход включения дежурного режима либо режима «стоп» во время вращения мотора.

3, 5 (OUT1, OUT2) — выходы Н-моста.

11 (Vref1) — вывод для контроля напряжения 0,42 В на делителе R1/R2, при всем этом напряжении пиковое значение выходного тока не превосходит Io = Vref1/RS.

10 (Vref2)— вспомогательный вывод, может быть применен для включения режима «стоп», зачем нужно соединить его с корпусом (вывод 1).

2 (S. P) — напряжение Vref1 может быть уменьшено подключением наружного резистора меж выводами 2 и 11, при всем этом значение Io также миниатюризируется.

Классификационные и предельные характеристики микросхемы STK681-200-E (в скобках приведены данные для STK-681-210-E) при температуре среды 25 &#176-С:

Импульсный ток — 8 А (одиночный импульс продолжительностью 60 мс).

Напряжение питания Vcc1 — 10–42 B, Vcc2— 5 B ±5%.

Наибольший выходной ток при температуре кристалла 90 &#176-С — 3,2 А (4,2 А).

Наибольшая температура выводов микросхем — 150&#176-. Главные характеристики микросхем при Т = 25 &#176-С, Vcc1 = 24 B, Vcc2 = 5 B.

Ток употребления по цепи Vcc2 — 2,7 мА (3,3 мА).

Напряжение насыщения транзисторов верхних плеч Н-моста — 0,8 В (0,15 В), нижних плеч — 0,22 В (0,2 В).

Малое напряжение сигналов управления высочайшего уровня — 4,5 В, наибольшее напряжение сигналов управления малого уровня — 0,6 В.

Рис. 15. Графики зависимости температуры подложки от мощности рассеяния и мощности рассеяния от выходного тока микросхемы STK681/200/E

На рис. 15 приведены графики зависимости температуры подложки (Substrate) микросхемы STK681-200-E без теплоотвода от мощности рассеяния и мощности рассеяния от выходного тока при напряжении питания 24 В. На рис. 16 представлены временные диаграммы сигналов управления микросхем в разных режимах, режим «вперед» реализуется при положительном напряжении на выходе OUT1 (открыты транзисторы TR1, F2, рис. 14), режим «назад» — на выходе OUT2 (открыты транзисторы TR2, F1). Режим «стоп 2» (при лог. «1» на выводе INH) рекомендуется использовать при реверсировании мотора перед переходом в режим торможения, при всем этом продолжительность интервала «стоп 2» (Dead time) не должна быть наименее 10 мкс (в режиме торможения открыты транзисторы F1, F2). В режиме «стоп 1» все транзисторы моста закрыты. Микросхемы STK681-300/310 и STK681-320 отличаются от ранее рассмотренных микросхем наличием дополнительных выводов от резистора RS и контроллера тока (рис. 14).

Рис. 16. Временные диаграммы сигналов управления микросхем STK681/200/E, STK681/210/E

Выводы

Сделать осознанный выбор определенных микросхем электропривода движков из многих сотен вариантов очень тяжело. По воззрению создателя, сначала разработчику следует найти предполагаемого производителя микросхем, при всем этом можно ориентироваться на список компаний сначала статьи. Облегчит решение задачки выбор компаний, позиционирующих микросхемы ДД как отдельную категорию изделий и выпускающих огромную номенклатуру устройств. К таким фирмам, а именно, относятся Allegro, Hitachi, Infineon, International Rectifier, New Japan Radio (JRC), NEC, RHOM, Sanken, SANYO, Toshiba. Приведенный перечень не является исчерпающим, не считая того, перед разработчиком безизбежно встанет неувязка выбора определенных дистрибьюторов, желательно российских.

Номенклатура микросхем SANYO Semiconductor в разделе каталога Motor Drivers на середину 2009 г. представлена практически 3-мя сотками позиций (283). Микросхемы в каталоге классифицированы по категориям и предназначению, но некие из их могут фигурировать в разных категориях. А именно, ряд микросхем подраздела Brush Motor Drivers имеются и в подразделе Stepping Motor Drivers (LB1836M, LB1837M, LB1948M, LV8012T, LV8014T, LV8085CL, LV8086T, LV8405V, LV8406T, LV8413GP, LV8731, LV8740V, LV8741V/VB). Первичный выбор нужных микросхем ДД неизменного тока можно сделать по данным из таблицы 1 и материалам истинной статьи. Немаловажное значение при разработке схем электропривода имеет конструктивное выполнение ДД, чертежи вида ряда корпусов микросхем ДД неизменного тока компании приведены в приложении к статье, размещенном на веб-сайте журнальчика (http://www. kit-e. ru/assets/Prilozenie-17.rar).

В сверхминиатюрных корпусах VCT16, VCT24, VQLP24, ECSP2823 выполнены однои двухканальные ДД LV8019V, LV8075LP, LV8080LP, LV8082LP, LV8085CL, LV8411GR, LV8413GP. Эти микросхемы владеют высочайшей эффективностью (КПД), потому их можно использовать в мобильных приложениях, к примеру в робототехнике, в приводах движков объективов видеокамер и других устройствах с автономным питанием. Эффективность микросхем ДД в главном определяется потерями мощности на открытых транзисторах мостов. Для микросхем с биполярными транзисторами нормируется напряжение насыщения открытых транзисторов Uнас, с полевыми транзисторамисуммарное сопротивление открытых транзисторов Ron (сопротивление транзисторов верхнего и нижнего плеч моста).

Регулировать скорость вращения движков неизменного тока можно 2-мя методами: конфигурацией величины неизменного тока через транзисторы моста либо конфигурацией скважности ШИМ-импульсов, последующих с частотой в 10-ки килогерц. Импульсный метод регулировки существенно более экономичен. Большая часть рассматриваемых микросхем, в том числе ДД средней мощности серии STK, способны работать в импульсном режиме.

Использованные определения и сокращения

ГПЗ — генератор подкачки заряда (Charge Pump), разновидность преобразователя неизменного напряжения. В этом случае ГПЗ обеспечивают получение напряжений, превосходящих напряжение питания микросхем (не необходимы дополнительные источники питания). Для низковольтных микросхем ДД с полевыми транзисторами в мостах внедрение завышенных напряжений смещения затвора наращивает эффективность коммутации (понижается Ron).

Н-мост (H-bridge, полный мост) — коммутационная схема, состоящая из 4 механических либо электрических тумблеров, обеспечивающая подачу в нагрузку напряжений разной полярности от 1-го источника питания. В отношении ДД элементами Н-моста являются биполярные либо полевые транзисторы. Время от времени термин Н-bridge трактуется как Half-bridge — полумост (схема из 2-ух тумблеров).

High Side Switch (driver) — драйвер верхних транзисторов Н-мостов. Gate Driver — драйвер затворов полевых и БТИЗ-транзисторов.

Low Side Driver — драйвер нижних транзисторов Н-мостов.

Литература

www. linear. com

http://www. maxim-ic. com/products/power/

www. mitsubishichips. com

http://www. necel. com/motor_driver/en/index. html

http://www. eu. necel. com/applications/industrial/01_motor_control/index. html

http://www. sanken-ele. co. jp/en/prod/semicon/pic/index. htm

http://semicon. sanyo. com/en/about/outline. html

http://eu. sanyo. com/EMEA-Portal/Products/russia/

http://www. semiconductor-sanyo. com/motor/index. asp

http://www. semiconductor-sanyo. com/motor/list. asp? CD3=30

Скачать статью в формате PDF

Другие статьи по этой теме:

Что сделать, бизнесмен? Рынок электрических компонент

Технический семинар ATMEL

32-разрядные Flash-микроконтроллеры Atmel

Внедрение контраста для идентификации изделий. Датчики

Характеристики и применение многообещающих быстродействующих микросхем для коммутации аналоговых и цифровых сигналов компании Toshiba Semiconductor

Новый номер журнальчика &#171-Компоненты и технологии&#187-

Чипсет G3-PLC для передачи данных в умственных электросетях

&#171-ЭкспоЭлектроника&#187- вновь подтвердила собственный статус головного действия русской электрической индустрии

Как работает H-мост для двигателей постоянного тока

В этой статье мы подробно рассмотрим, как работает H-мост, который применяется для управления двигателями постоянного тока с низким напряжением питания. В качестве примера мы будем использовать популярную среди любителей робототехники интегральную микросхему L298. Но сначала от простого к сложному.

H-мост на механических переключателях

Направление вращения вала у двигателя постоянного тока зависит от полярности питания. Чтобы изменить эту полярность, без переподключения источника питания, мы можем использовать 4 переключателя, как показано на следующем рисунке.

Этот тип соединения известен как «H Bridge» (H мост) — по форме схемы, которая похожа на букву «H». Эта схема подключения двигателя имеет очень интересные свойства, которые мы опишем в этой статье.

Если мы замкнем верхний левый и нижний правый переключатели, то двигатель будет подключен справа на минус, а слева на плюс. В результате этого он будет вращаться в одном направлении (путь прохождения тока указан красными линиями и стрелками).

Если же мы замкнем верхний правый и нижний левый переключатели, то двигатель будет подключен справа на плюс, а слева на минус. В таком случае двигатель будет вращаться в противоположном направлении.

Эта схема управления имеет один существенный недостаток: если оба переключателя слева или оба переключателя справа замкнуть одновременно, то произойдет короткое замыкание источника питания, поэтому необходимо избегать такой ситуации.

Паяльный фен YIHUA 8858

Обновленная версия, мощность: 600 Вт, расход воздуха: 240 л/час…

Интересным состоянием следующей схемы является то, что используя только два верхних или нижних переключателя, мы отключаем двигатель от питания, в результате чего двигатель останавливается.

Конечно, H-мост, выполненный исключительно только на переключателях, не очень универсален. Мы привели этот пример только для того, чтобы простым и наглядным образом объяснить принцип работы H-моста.

Но если мы заменим механические переключатели электронными ключами, то конструкция будет более интересна, поскольку в этом случае электронные ключи могут быть активированы логическими схемами, например, микроконтроллером.

H-мост на транзисторах

Для создания электронного H-моста на транзисторах можно использовать транзисторы как NPN, так и PNP типа. Могут быть использованы также и полевые транзисторы. Мы рассмотрим версию с NPN-транзисторами, потому что это решение использовано в микросхеме L298, которую мы увидим позже.

Транзистор — это электронный компонент, описание работы которого может быть сложным, но применительно к нашему H-мосту его работу легко проанализировать, поскольку он работает только в двух состояниях (отсечка и насыщение).

Транзистор мы можем представить просто как электронный переключатель, который закрыт, когда на базе (b) 0 В и открыт, когда на базе положительное напряжение.

Хорошо, мы заменили механические переключатели транзисторными ключами. Теперь нам необходим блок управления, который будет управлять нашими четырьмя транзисторами. Для этого мы будем использовать логические элементы типа «И».

Логика управления H-мостом

Логический элемент «И» состоит из интегрированных электронных компонентов и, не зная, что у него внутри, мы можем рассматривать его как своего рода «черный ящик», который имеет два входа и один выход. Таблица истинности показывает нам 4 возможные комбинации сигналов на входах и соответствующий им сигнал на выходе.

Мы видим, что только тогда, когда на обоих входах положительный сигнал (логическая единица), на выходе появляется логическая единица. Во всех остальных случаях на выходе будет логический ноль (0В).

В дополнение к данному логическому «И» элементу для нашего H-моста понадобиться другой тип логического элемента «И», у которого мы можем видеть небольшой круг на одном из его входов. Это все тот же логический элемент «И», но с одним инвертирующим (перевернутым) входом. В этом случае таблица истинности будет немного иная.

Если мы объединим эти два типа «И» элемента, с двумя электронными переключателями, как показано на следующем рисунке, то состояние выхода «Х» может быть в трех вариантах: разомкнутое, положительное или отрицательное. Это будет зависеть от логического состояния двух входов. Этот тип выхода известен как «выход с тремя состояниями» (Three-State Output) который широко используется в цифровой электронике.

Теперь посмотрим, как будет работать наш пример. Когда вход «ENA» (разрешение) равен 0В, независимо от состояния входа «А», выход «Х» будет разомкнут, поскольку выходы обоих «И» элементов будут равны 0В, и, следовательно, два переключателя также будут разомкнуты.

Когда мы подаем напряжение на вход ENA, один из двух переключателей будет замкнут в зависимости от сигнала на входе «A»: высокий уровень на входе «A» подключит выход «X» к плюсу, низкий уровень на входе «A» подключит выход «X» к минусу питания.

Таки образом, мы построили одну из двух ветвей «H» моста. Теперь перейдем к рассмотрению работы полного моста.

Эксплуатация полного H-моста

Добавив идентичную схему для второй ветви H-моста, мы получим полный мост, к которому уже можно подключить двигатель.

Обратите внимание, что вход разрешения (ENA) подключен к обеим ветвям моста, в то время как другие два входа (In1 и In2) независимы. Для наглядности схемы мы не указали защитные сопротивления на базах транзисторов.

Когда на ENA 0В, то на всех выходах логических элементов также 0В, и поэтому транзисторы закрыты, и двигатель не вращается. Если на вход ENA подать положительный сигнал, а на входах IN1 и IN2 будет 0В, то элементы «B» и «D» будут активированы. В этом состоянии оба входа двигателя будут заземлены, и двигатель также не будет вращаться.

Если мы подадим на IN1 положительный сигнал, при этом на IN2 будет 0В, то логический элемент «А» активируется вместе с элементом «D», а «B» и «C» будут отключены. В результате этого двигатель получит плюс питания от транзистора, подключенного к элементу «А» и минус от транзистора, подключенного к элементу «D». Двигатель начнет вращается в одном направлении.

Если же мы сигналы на входах IN1 и IN2 инвертируем (перевернем), то в этом случае логические элементы «C» и «B» активируются, а «A» и «D» будут отключены. Результат этого — двигатель получит плюс питания от транзистора, подключенного к «C» и минус от транзистора, подключенного к «B». Двигатель начнет вращаться в противоположном направлении.

Если на входах IN1 и IN2 будет положительный сигнал, то активными элементами с соответствующими транзисторами будут «A» и «C», при этом оба вывода мотора будут подключены к плюсу питания.

H-мост на драйвере L298

Теперь давайте посмотрим на работу микросхемы L298. На рисунке приведена структурная схема драйвера L298, который имеет два одинаковых H-моста и позволяет управлять двумя двигателями постоянного тока (DC).

Как мы можем видеть, отрицательная часть мостов напрямую не связана с землей, но доступна на выводе 1 для моста слева и на выводе 15 для моста справа. Добавив очень малое сопротивление (шунт) между этими контактами и землей (RSA и RSB), мы можем измерить ток потребления каждого моста с помощью электронной схемы, которая может измеряет падение напряжения в точках «SENS A» и «SENS B».

Это может быть полезно для регулирования тока двигателя (с использованием ШИМ) или просто для активации системы защиты, в случае если двигатель застопориться (в этом случае его ток потребления значительно возрастает).

Защитный диод для индуктивной нагрузки

Каждый двигатель содержит проволочную обмотку (катушку) и, следовательно, в процессе управления двигателем на его выводах возникает всплеск ЭДС самоиндукции, которая может повредить транзисторы моста.

Чтобы решить эту проблему, вы можете использовать быстрые диоды типа Shottky или, если наши двигатели не являются особо мощными, просто обычные выпрямительные диоды, например 1N4007. Нужно иметь в виду, что выходы моста в процессе управления двигателем меняют свою полярность, поэтому необходимо использовать четыре диода вместо одного.

https://www.inventable.eu

Биполярный транзистор HBridge Motor Driver

Классическая схема драйвера двигателя постоянного тока для начинающих, которая встречается в каждом учебнике по электронике, представляет собой Н-мост на биполярных транзисторах.

H-мост представляет собой схему транзисторов, которая позволяет схеме полностью управлять стандартным электродвигателем постоянного тока. То есть H-мост позволяет микроконтроллеру, логической микросхеме или пульту дистанционного управления электронным образом управлять двигателем для движения вперед, назад, торможения и движения по инерции.

Для целей этой статьи я сосредоточусь на базовом H-мосте, который является хорошим выбором для большинства роботов (включая роботов BEAM) и портативных гаджетов. Этот Н-мост может работать от источника питания от двух почти разряженных батареек типа ААА (2,2 В) до свежей батареи 9 В (9,6 В).

На следующих страницах я сравню производительность трех популярных транзисторов с разными номерами деталей. (2N3904/2N3906 по сравнению с 2N2222A/2N2907A по сравнению с Zetex ZTX1049A/ZTX968) используя обычный двигатель робота от Solarbotics.

Схема H-моста (ниже) на первый взгляд выглядит сложной, но на самом деле это всего лишь четыре копии резистора + транзистора + диода.

Схема мостовой схемы на биполярном транзисторе для управления двигателем постоянного тока. Вы видите букву «Х»?

Существует множество различных способов рисования схемы, но приведенная выше схема подключения соответствует модели большинства h-мостов.

  • M1 : Это двигатель постоянного тока.Это очень распространено. Вы можете найти их в интернет-магазинах излишков или в старых игрушках. Двигатель должен иметь только два провода. Измерьте сопротивление двух проводов двигателя с помощью мультиметра. Если сопротивление двигателя меньше 5 Ом, то транзисторные детали, перечисленные в этой статье, слишком слабы для питания двигателя.

Если вам нужна полная информация о том, как работает H-мост, или если вам нужны более простые или более мощные драйверы двигателей, см. тогда, пожалуйста, купите экземпляр моей книги «Создание роботов среднего уровня».Главы 9 и 10 подробно описаны и содержат множество вариаций, не показанных здесь.

Управление приводом двигателя H-Bridge

Резисторы — это входы, управляющие H-мостом. Подключив резистор к +VDC или GND, он включает или выключает соответствующий транзистор. (+VDC — положительный конец батареи. GND — отрицательный конец батареи.) Когда определенная пара транзисторов включается, двигатель что-то делает.

Команда R1 R2 R3 R4
Выбег/Бросок/Выкл: GND или отсоединен +VDC или отсоединен GND или отсоединен +VDC или отсоединен
Вперед: GND или отключен GND +VDC +VDC или отключен
Реверс: +VDC +VDC или отключен GND или отключен GND
Торможение/Замедление: +VDC +VDC или отключено +VDC +VDC или отключено

Поскольку имеется 4 резистора, на самом деле существует шестнадцать возможных способов управления этой схемой.Не беспокойтесь о других вариантах (они есть в книге, если вам интересно). Кроме…

Никогда не подавайте +VDC на R1 и GND на R2 одновременно! Вы закоротите батарею.

Никогда не подавайте +VDC на R3 и GND на R4 одновременно! Вы закоротите батарею.

Далее, давайте построим схему H-моста, используя реальные детали…


Базовая схема драйвера двигателя Н-моста с использованием биполярного транзистора

Контроллер двигателя постоянного тока имеет множество форм.Я собираюсь предложить вам изучить схему драйвера двигателя h-bridge.

И что? Это легко сделать с помощью драйверов транзисторов или MOSFET. И у них тоже высокая производительность.

Я знаю, что вам больше нравится строить схемы, чем хитрые принципы.
Однако, если вы новичок. Изучение работы мотора H-Bridge. Это определенно стоит вашего времени.

Я пытаюсь нарисовать принципиальную схему так, чтобы ее было легко увидеть.

Часто мы можем видеть этот драйвер двигателя H-Bridge на многих схемах контроллера для перемещения робота.

Как это работает

Мы можем разработать схему с полевым МОП-транзистором или транзистором для управления вращением двигателя.

Переключатели Н-моста

В качестве примера я предлагаю использовать их в качестве переключателя, поэтому его легко понять, увидев, как он работает как . Рисунок 1 .


Рис. 1: Все выключатели находятся в положении ВЫКЛ, поэтому двигатель не вращается.

В схеме мы видим, что все переключатели находятся в разомкнутых состояниях. В цепи не протекает ток, потому что двигатель постоянного тока не может работать.

Режим пересылки

Затем посмотрите на Рисунок 2 . При наличии выключателя S1 (замкнут) и S3 (замкнут).

Рис. 2: переключатели S1 и S3 замкнуты, потому что двигатель вращается.

Заставляет двигатель получать ток. Как мы замечаем, что ток течет на положительный полюс двигателя.

Приведение двигателя постоянного тока во вращение в форме поступательного движения. Или Поверните по часовой стрелке.

Обратный режим

И, если и S4, и S2 замкнуты вместе.Мотор также получает ток, протекающий через них. Но это будет не та же самая первая форма. Как Рисунок 3

Рисунок 3: Оба переключателя S2 и S4 замкнуты, двигатель постоянного тока вращается против часовой стрелки.

Поскольку этот ток будет протекать через отрицательную сторону двигателя, это приведет к тому, что ток изменится на противоположное или повернется против часовой стрелки.

Начать применять транзисторы

Попробуем использовать все транзисторы в качестве переключателя. Вы видите в рисунок 4 .


Рис. 4 Использование транзистора в качестве переключателя.

Когда база транзисторов получает текущее электричество. Это заставляет транзистор работать, и двигатель постоянного тока также будет вращаться.

Читайте также: Много о схеме драйвера транзистора s

Транзисторный мост Драйвер двигателя

Как показано на рисунке 5, мы используем четыре транзистора для подключения к схеме H-моста.

Рисунок 5: мы используем четыре транзистора в качестве контроллера переключения.

И добавьте диод для защиты от электричества, которое может течь обратно от двигателя. Повреждение транзистора.

Ознакомьтесь также со следующими статьями по теме:

Вращение вперед с использованием транзисторов

Схема на рис. 6, если подать питание на точку А. Мы заставим транзисторы Q1 и Q3 работать. Потому что они получают ИБ-ток в базу.

Рисунок 6: подайте питание в точку A, Q1 и Q3 работают. Двигатель вращается в прямом направлении.

Итак, двигатель будет вращаться в прямом направлении.Потому что электрический ток течет от Q1 к плюсу двигателя. и успешно течь через Q3 на землю.

Рекомендуем: 555 Схема светодиодного диммера с ШИМ

Управление обратным вращением с помощью транзистора

Затем, как рис. Q4 и Q2 также работают, получая ток от базы.

Рисунок 7: Двигатель получает ток через транзисторы Q4 и Q2.Он вращается в обратном направлении

Это заставляет их ток, протекающий через Q4, идти к минусу двигателя и через Q2-транзисторы к земле. Какое протекание тока в этой форме заставляет двигатель вращаться в обратном направлении.

Больше схем драйвера двигателя H-Bridge

Вы можете увидеть реальное применение здесь 2-канальный драйвер двигателя постоянного тока на сохраненной модели

ПОЛУЧИТЬ ОБНОВЛЕНИЕ ПО ЭЛЕКТРОННОЙ ПОЧТЕ .

Только NPN Транзисторные схемы Н-моста


Рис. 1 Базовая схема транзисторного Н-моста.

Автор: Льюис Лофлин

Здесь мы рассмотрим конструкцию всех схем Н-мостовых транзисторов NPN. Это делается для дальнейшего изучения теории транзисторов и решения проблемы труднодоступных и часто дорогих мощных транзисторов PNP.

На рис. 1 показан пример схемы h-моста на биполярных транзисторах. Обратите внимание, что если для поглощения противоэлектродвижущей силы используются транзисторы без внутренних диодов, они должны питаться извне.

Мои следующие примеры будут использовать транзисторы Дарлингтона NPN, такие как TIP120 со встроенными диодами, и мы работаем, исходя из предположения, что схема будет управляться стандартным 5-вольтовым микроконтроллером, таким как Arduino или PIC.

Если вам действительно требуется очень большой ток привода, скажем, более 4 ампер, рассмотрите возможность использования 2N3055 с, скажем, TIP31 в конфигурации предварительного драйвера Дарлингтона. Справочную информацию по этим вопросам см. по адресу:

.
Рис. 2

Здесь на рис.2 мы заменили PNP-транзисторы Q1 и Q2 на рис. 1 (по одной из этих схем для каждого транзистора) на мощный NPN-транзистор Q3 и два управляющих транзистора Q1 и Q2. Q1 действует как переключатель для подачи базового тока (Ib) на Q3, включая его. Q2 используется для включения Q1 и защиты 5-вольтового ввода-вывода Arduino от высокого напряжения на базе Q1.



Рис. 3

На рис. 3 мы заменили Q1 и Q2 одной оптопарой 4N25, у которой фототранзистор Q2 включается, чтобы обеспечить базовый ток для Q3.4N25 обеспечивает изоляцию напряжения между микроконтроллером и 12-вольтовым источником питания двигателя.

См. Драйверы оптоизолированных транзисторов для микроконтроллеров



Рис. 4

Здесь мы перерисовали схему, используя все те же силовые транзисторы NPN с оптронами для Q1 и Q2. Схема на рис. 2 работает так же хорошо. Все 4 входа представляют собой прямое 5-вольтовое TTL-соединение.


Рис. 5

На рис. 5 мы включаем D1, который включает Q1, и мы также включаем Q4, создавая путь тока для вращения двигателя по часовой стрелке.



Рис. 6

На рис. 6 мы включаем D2, Q2 и Q3, создавая противоположный путь тока для двигателя, теперь вращающегося против часовой стрелки.

Это завершает наше краткое введение в схемы Н-мостовых транзисторов NPN.

Ардуино

Прочие схемы

 

Что такое H-мост? — Сборка электронных схем

H-мост — это простая схема, позволяющая управлять двигателем постоянного тока, чтобы двигаться вперед или назад.

Обычно вы используете его с микроконтроллером, таким как Arduino, для управления двигателями.

Когда вы можете управлять двумя двигателями, чтобы двигаться вперед или назад — вы можете построить себе робота!

Концепция Н-моста

Вот концепция H-моста:

Двигатель постоянного тока вращается либо назад, либо вперед, в зависимости от того, как вы соедините плюс и минус.

Если вы замкнете переключатель 1 и 4, у вас будет плюс, подключенный к левой стороне двигателя, и минус к другой стороне. И двигатель начнет вращаться в одном направлении.

Если вы вместо этого замкнете переключатели 2 и 3, у вас будет плюс, подключенный к правой стороне, а минус к левой стороне.А мотор крутится в обратную сторону.

Цепь Н-моста

Можно построить H-мост с четырьмя транзисторами.

Если вы не знаете, как работает транзистор, я рекомендую вам сначала прочитать статью «Как работают транзисторы». Оттуда вы узнаете, что транзистор может работать как переключатель, который вы можете открывать и закрывать с помощью напряжения на базе.

Поскольку транзистор может быть переключателем, вы сможете заставить двигатель вращаться в любом направлении, включая и выключая четыре транзистора в приведенной выше схеме.

Обычно вы управляете транзисторами с микроконтроллера, такого как Arduino.

Какие транзисторы использовать?

Выбранные вами транзисторы должны:

  • Ручка достаточного тока
  • Использовать PNP (или pmos) вверху
  • Иметь низкое падение напряжения между коллектором и эмиттером

Текущий

Самое главное, чтобы все транзисторы выдерживали ток, достаточный для двигателя. В противном случае он сгорит.

Например, если двигатель потребляет 1 ампер тока, вам нужны транзисторы, способные выдерживать минимум 1 ампер.

PNP (или pmos) транзисторы вверху

Далее, вы видите, я выбрал PNP-транзисторы сверху и NPN-транзисторы снизу.

Транзистор включается или выключается за счет разницы напряжений между базой и эмиттером.

С транзисторами PNP в верхней части вы можете использовать более высокое напряжение для VCC, чем для базы транзисторов.

Например, вы можете использовать выходы 3,3 В для микроконтроллера и 9 В для Vcc.

Это не сработает, если у вас есть NPN наверху, поскольку эмиттер будет равен 0.на 7В ниже базы. Потому что это превращается в 3,3 В — 0,7 В = 2,6 В на положительной стороне двигателя, независимо от того, какое напряжение VCC вы выберете.

Низкое падение напряжения между коллектором и эмиттером

Создавая робота в Колумбии, я попытался сделать эту схему, используя транзисторы TIP120 и TIP127.

Это не сработало.

Транзисторы

TIP12x дают падение 2 В от эмиттера к коллектору.

В такой конфигурации вы получите потерю 4 В на транзисторах.Я пытался подключить это к Arduino, используя его питание 5 В, но потерпел неудачу, потому что для двигателя оставался только 1 В!

Вот хорошая статья/разглагольствование на тему: Хватит использовать антикварные детали!

По сути, это говорит о том, что транзисторы TIP — это антиквариат, который вы не должны больше использовать именно из-за этого огромного падения напряжения.

Выбирайте транзисторы с малым падением напряжения. Например, транзисторы BD135/BD136 или MOSFET.

Защитные диоды и режим ШИМ

Побочным эффектом работы двигателя является то, что двигатель также вырабатывает электрическую энергию.Когда вы отключаете транзисторы, чтобы остановить двигатель, эта энергия должна каким-то образом высвобождаться.

Если вы добавите диоды в обратном направлении для транзисторов, вы зададите путь для тока, по которому высвобождается эта энергия. Без них вы рискуете, что напряжение поднимется и повредит ваши транзисторы.

Подробнее об этом — и о чем следует помнить, если вы хотите использовать ШИМ-сигнал для управления скоростью двигателя, — в этой статье.

Резисторы, входящие в каждую базу, предназначены для уменьшения тока каждого транзистора.Не знаете, как рассчитать? Если вы используете микроконтроллер для управления ими, начните с 1k и отрегулируйте, если это не сработает.

Вопросы или комментарии?

Вы когда-нибудь строили Н-мост? Или у вас есть вопросы по H-мосту? Дайте мне знать в поле для комментариев ниже:

H-мост BJT — Записная книжка Чака по робототехнике

Введение

Самый простой тип Н-моста, который вы можете построить использует транзисторы с биполярным соединением (BJT), которые здесь называются транзисторами. на выходе.Если вы никогда не собирали контроллер мощности, то схемы в этом разделе хорошее введение. Схемы могут быть построены дешево, управлять несколькими легко добытыми моторами, и даже если вы их сожжете, вы чему-то научится!

Учебник довольно длинный и я сломал его на несколько частей. Если вы знакомы с транзисторами, то вы можете пропустите часть Теория транзисторов.

1.0 Теория транзисторов

В первой части этого подраздела немного говорится о теории работы биполярных транзисторов.Подробнее…

2.0 Правильный выбор Транзисторы

Теперь, когда вы понимаете, что такое транзисторы сделать для нас, давайте использовать их. В этом разделе рассматриваются детали выбора несколько транзисторов для построения H-моста. Подробнее…

3.0 Реализация элементов H-моста с транзисторами BJT

Транзисторы в руках, теперь дело просто вопрос реализации четырех углов «H» и добавления некоторых способ управления им с порта компьютера.Подробнее …

4.0 Полная версия на основе BJT Н-мост

Соединяем части вместе, чтобы сформировать единое целое. Немного хитрости в наших покупках, и у нас есть 5 долларов. Н-мост. Подробнее…

5.0 Анализ цепи и доработка

Разработка схемы — это только половина удовольствия, понимание того, как это работает и почему это настоящий приз.Этот раздел складывается тестовый жгут, который анализирует H-мост, который мы строим. Подробнее…

6.0 Использование этой конструкции H-Bridge в Робот

В этом разделе обсуждается макет печатного печатная плата для использования в мобильных роботах. Эргономика, экономика и физика все играют роль. Подробнее…

Идем дальше

Комплекты этой конструкции доступны по скромной цене. плату, свяжитесь с Чаком Макманисом на этом сервере для получения подробной информации.Типы двигателей которыми будет управлять силовой транзистор H-моста, обычно являются зубчатыми передачами постоянного тока. двигатели и модельные двигатели в диапазоне 3–12 В. Двигатели, которые совместимы с этим H-мостом можно приобрести у следующих поставщиков:

Почти любой Mabuchi 3 В, 4,5 В, 6 В или 12 В Двигатель постоянного тока.

Детали схемы H-моста BJT

Строительство Н-моста

Мне очень нравится этот Н-мост за ряд причинам, не последней из которых является то, что если вы покупаете детали в больших количествах, из 1, все детали стоят менее 5 долларов (без учета налогов и доставки, конечно) за 1–5-амперный H-мост.Это сохраняет финальную схему в «дешевом» состоянии. категория, которая была одним из параметров дизайна, для которого мы оптимизировали. То Полная схема моста показана ниже.

Диоды быстрого восстановления (показаны голубым цветом) не являются обязательными, если вы используя TIP102/107, так как в эти транзисторы встроен диод. Однако вы можете включите их для большей защиты при более высоких токах и по-прежнему сохраняйте стоимость 5 долларов за мост.В таблице ниже приведен список запчастей с ценами от Ноябрь 2003 г., с использованием части цифры от Mouser Electronics. Ты отмечу, что я также пользуюсь симметричным характером моста с помощью пакетов резисторов, а не отдельных резисторов. Эти пакеты позволяют для более плотной конструкции с использованием технологии сквозных отверстий. Если размер проблема, вы, вероятно, выберете поверхностный монтаж, а не этот тип схема.

Кол-во Деталь Mouser № Описание Каждый Всего
2 511-TIP107 TIP107, силовой транзистор Дарлингтона PNP (ТО-220АБ) $0.70 1,40 $
2 511-TIP102 TIP102, силовой транзистор Дарлингтона NPN (ТО-220АБ) 0,70 $ 1,40 $
1 652-4608X-102-10K 10 кОм, сеть резисторов SIP (независимые резисторы) 0,23 $ $0.23
1 652-4608X-102-560 560 Ом, SIP Сеть резисторов (независимые резисторы) 0,23 $ 0,23 $
1 652-4608X-102-1K 1 кОм, сеть резисторов SIP (независимые резисторы) 0,23 $ 0,23 $
1 551-ПС2501-4 Счетверенный оптопара (16-контактный DIP) 1 доллар.31 1,31 $
4 625-1N4933 1A Выпрямитель с быстрым восстановлением (Необязательно) 0,05 $ 0,20 $
   

Итого по компонентам

  5,00 $

Таблица 1) Список деталей для Простой H-образный мост

В предыдущем разделе мы обсуждались отдельные части этой конструкции, здесь они собраны вместе в одной цепи.Вы должны заметить, что оптоизолятор Светодиоды подключены к трем проводам с обозначениями «FWD», «REV» и «ENA*». Эти провода заслуживают небольшого пояснения.

Интерфейс процессора

Линии FWD, REV и ENA* интерфейс между мостом и микропроцессором. Ты заметишь у них нет «земляного» сигнала. Когда вы подключаете эти контакты к штампу BASIC или 68HC11 или что-то еще, комбинации 1 и 0 на линии включаются разные пары транзисторов.В следующей таблице перечислены все возможные комбинации ввода.

ФВД РЕВ ЕСА* Описание
1 0 0 Включите верхний левый источник и нижняя правая раковина. (вперед)
1 0 1 Отключить правый нижний приемник.Когда подается сигнал ШИМ, мост модулирует «прямой» ток через мотор.
1 1 0 Включите обе нижние левые раковины и нижняя правая раковина, короткое замыкание двигателя. Это приводит к тому, что вращающийся двигатель остановить вращение, поэтому этот режим называется «Торможение».
1 1 1 Отключить обе нижние раковины.Когда подается ШИМ-сигнал, мост модулирует «торможение» двигателя.
0 1 0 Включите верхний правый источник и нижняя левая раковина. (назад)
0 1 1 Отключить нижнюю левую раковину. Когда подается сигнал ШИМ, мост модулирует «обратный» ток через мотор.
0 0 0 Отключить все источники и приемники. «Выбег» мотора вообще не задействуется.
0 0 1 Отключить все источники и приемники по-другому, но тот же эффект.

Это работает, потому что контакты процессора становятся соединение с землей, когда они выводят логический 0.Таким образом, когда FWD равно 1 и ENA равно 0, нижний правый приемник получает ток от FWD, который возврат через вывод, подключенный к ENA. В любой момент времени булавка должна быть в состоянии подавать достаточный ток для включения двух светодиодов и при установке на ноль поглотить ток двух светодиодов. С резисторами 560 Ом и процессором 5 В как PIC это не проблема. Из техпаспорта на оптоизолятор, каждый светодиод имеет прямое падение напряжения 1,2 В, поэтому (5 — 1.2) / 560 составляет 6,8 мА на Светодиод или 14 мА общей нагрузки. PIC рассчитан на 20 мА. Вы можете заменить резисторы 560 Ом резисторами 680 Ом, чтобы уменьшить ток через светодиоды еще больше. Однако падение напряжения на светодиоде может быть до 1,4 В, а рабочее напряжение PIC может составлять всего 4,5 В, в В этом случае с резисторами 680 Ом вы бы подали только 4,5 мА на каждый светодиод. что ниже 5 мА, указанных в техническом описании.Резистор 560 Ом. лучший выбор, так как он поддерживает достаточную маржу.

Так зачем лезть во все эти хлопоты? Интерфейс в соответствии с дизайном дает вам доступ ко всем интересным комбинациям моек и источники позволяют, не допуская при этом никаких «незаконных» состояний. незаконный состояние в полном квадранте Н-моста (4 входа, по одному на каждый квадрант) равно одному который включает верхний источник и нижний слив на одной стороне. Этот комбинация вызывает прямое короткое замыкание между батареей клеммы (нехорошо!) и обычно вызывает один или оба транзистора, которые собираются сгореть в дыму.Кроме того, поскольку младшие чипы PIC, такие как PIC16F628 имеет одну линию аппаратного ШИМ, это позволяет вам подключить эту линию к мост и пару контактов GPIO к линиям FWD и REV, чтобы получить аппаратный ШИМ на мосту. Просто помните, что нельзя подниматься выше 2,5 кГц, если вы заменить оптоизолятор на более быстрый.

Подведение итогов

Итак, прежде чем спаять все вместе, давайте проанализируйте проект и попытайтесь охарактеризовать его производительность.Это даст мы уверены, что этот H-мост будет соответствовать требованиям, которые нам нужны для встретимся, и мы не удивимся, что на нас это не подействует.

Далее: Анализ моста…

Параллельное соединение биполярных транзисторов с изолированным затвором в структуре H-моста для снижения токовой нагрузки

SN Appl Sci. 2021; 3 (4): 406.

, , 1 , 1 , 1 и 2 и 1, 2 3 2

MajiD Movarian Sorkhabi

1 MRC Мозга динамика динамики, Университет Оксфорда, Оксфорд , OX1 3TH UK

Karen Wendt

1 MRC Отдел динамики мозговых сетей, Оксфордский университет, Оксфорд, OX1 3TH UK

Daniel Rogers

2 Департамент инженерных наук, Университет Оксфорда 13 UK

Timothy Denison

1 MRC Отдел динамики мозговых сетей, Оксфордский университет, Оксфорд, OX1 3TH UK

2 Департамент инженерных наук, Оксфордский университет, Оксфорд, OX1 3PJ UK

4 1906 Отдел динамики мозговой сети, Оксфордский университет, Оксфорд, OX1 3TH UK

2 Департамент технических наук, Оксфордский университет, Оксфорд, OX1 3PJ UK

Автор, ответственный за переписку.

Поступила в редакцию 9 июля 2020 г .; Принято 23 февраля 2021 г.

Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате при условии, что вы укажете оригинал. автор(ы) и источник, предоставьте ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons на статью, если иное не указано в кредитной строке материала.Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.Эта статья цитировалась в других статьях в PMC.

Abstract

В этом исследовании мы представляем новую реализацию силовой электронной схемы для создания произвольного почти прямоугольного электромагнитного импульса.С этой целью мы разрабатываем генератор магнитных импульсов на основе параллельных биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) с архитектурой Н-моста. Такой подход эффективно снижает токовую нагрузку на силовые ключи, сохраняя при этом простую структуру с использованием одного источника постоянного тока и накопительного конденсатора. Экспериментальные результаты характеристики схемы показывают, что предложенная схема способна многократно генерировать почти прямоугольные магнитные импульсы и позволяет генерировать конфигурируемые и стабильные магнитные импульсы, не вызывая чрезмерных нагрузок на устройство.Представленное устройство позволяет производить последовательности импульсов почти прямоугольной формы для модулированных магнитных стимулов. Максимальная длительность положительного импульса в предлагаемом нейростимуляторе составляет до 600 мкс, что регулируется оператором с дискретностью шага 10 мкс. Измеренная максимальная энергия, передаваемая лечебной катушке, составила 100,4 Дж. Предлагаемое устройство транскраниального магнитного стимулятора (ТМС) обеспечивает более гибкое формирование магнитного стимула с помощью архитектуры Н-моста и параллельных БТИЗ, что может эффективно снизить токовую нагрузку на силовые ключи для повторные протоколы лечения.

Дополнительная информация

Онлайн-версия содержит дополнительные материалы, доступные по адресу 10.1007/s42452-021-04420-y.

Ключевые слова: Транскраниальная магнитная стимуляция, Генератор импульсов, Параллельные IGBT, Гибкий импульс ТМС, Текущее напряжение

Введение

Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) представляет собой неинвазивный метод, который может активировать кортикальные нейроны с помощью электромагнитно-индуцированных стимулов. TMS работает, пропуская переходный ток через лечебную катушку, размещенную на голове пациента, таким образом индуцируя электрическое поле, которое безопасно проникает в череп.Он имеет долгую историю применения как в неврологических исследованиях, так и в клинической терапии [1, 2]; Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) одобрило ТМС для лечения ряда психических и неврологических заболеваний, таких как большое депрессивное расстройство и обсессивно-компульсивное расстройство (ОКР), и оно исследуется для многих других методов лечения [1, 3]. Доставка стимулов ТМС в виде длинной последовательности импульсов (серий или пачек) называется повторяющейся ТМС (рТМС), которая широко используется в неинвазивных методах лечения нескольких нейродегенеративных заболеваний [4, 5].Повторяющиеся протоколы нейромодуляции могут вызывать долговременные нейропластические изменения в мозговых цепях [6]. При терапии, называемой стимуляцией тета-импульсов (TBS), частота повторения импульсов достигает 50 Гц [7], в то время как в протоколе квадри-импульсной стимуляции (QPS) эта частота может достигать 666 Гц с более длительными временными интервалами между последовательностями (пять секунд) и меньше повторений импульсов в серии (четыре импульса) [8]. Метод QPS использует четыре монофазных стимула и может вызывать значительное последействие на области коры [9].

Принцип работы обычного генератора импульсов TMS прост: большой накопительный конденсатор (C ≈ 250 мкФ) заряжается до постоянного напряжения около 1.6 кВ (максимум). Когда переключатель питания (обычно тиристор) переходит в проводящее состояние, предварительно заряженный конденсатор разряжается через катушку обработки (L) и генерирует быстро меняющееся поле. Индуктивность катушки составляет от 15 до 24 мкГн, а максимальный ток, протекающий через катушку стимуляции, составляет 5 кА (размах 10 кА). Максимальное магнитное поле, создаваемое на поверхности катушки, в среднем может достигать 1 Тл. Базовая структура этой схемы показана на рис. а. Несмотря на успех метода ТМС, существуют некоторые существенные ограничения, связанные с параметрами формы импульса.Из-за структуры LC-резонансного контура в доступных генераторах импульсов формы сигналов, создаваемые в этих устройствах, фиксированы и зависят от аппаратных параметров. Таким образом, магнитный стимул обычно имеет форму косинуса с периодом 400 микросекунд (так называемый «двухфазный импульс») [10]. Более регулируемый контроль формы импульса стимула потенциально может позволить новые исследования и клинические приложения, которые не достижимы с помощью обычного оборудования для ТМС [11].

Предлагаемая структура устройства TMS. a Общая схема реализованной системы. b Архитектура с параллельными IGBT для инверторного блока для снижения нагрузки по току в Н-мосте

Удовлетворяя эту потребность, Gattinger et al. представила новое устройство TMS, названное «flexTMS» [12]. В этом устройстве использовался один источник постоянного тока и структура Н-моста для управления LC-резонансом в разные временные интервалы. Для повышения гибкости магнитной стимуляции Peterchev et al. разработали управляемое устройство TMS (cTMS) для генерации гибких импульсов почти прямоугольной формы [13].Четыре переключателя на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT), включающие обратные диоды, которые образуют архитектуру с двумя полумостами, использовались для подключения катушки стимуляции к накопительным конденсаторам, как показано на рис. sb. Были использованы два изолированных источника постоянного тока и отдельные конденсаторы для накопления энергии (C 1 , C 2 ), и выходной импульс может создавать четыре различных напряжения: катушка V  = {V DC1 , − V DC2 , V DC1  − V DC2 , 0}.Хотя использование двух отдельных конденсаторов может повысить уровень выходного напряжения, перезарядка конденсаторов является сложной задачей при возвращении энергии из катушки (режим регенерации).

Другим ограничением в конкретной реализации устройства cTMS, описанным в [13], является перегрузка по току, налагаемая на ключи (показано, что пиковый ток в 2,5 раза превышает номинальные значения IGBT). В силовых электронных системах силовые полупроводниковые элементы являются одними из наиболее хрупких компонентов [14].Обзоры влияния перегрузки по току на IGBT-переключатели представлены в [15, 16]. В результате перегрузки по току на уровне кристалла IGBT наблюдаются физические признаки (например, обесцвеченные пятна на поверхности). Хотя эти сигнатуры не обязательно вызывают немедленный отказ устройства, было замечено, что они значительно сокращают срок службы устройства и увеличивают риск внезапного отказа [17]. Важность максимальной токовой защиты устройств имеет решающее значение в таких протоколах, как rTMS, которые требуют очень высоких пиковых токов (но при очень низком рабочем цикле).Такое использование с большей вероятностью вызовет «невидимые» накапливающиеся повреждения в полупроводниковых устройствах (что в конечном итоге приведет к отказу) по сравнению с более простым процессом стационарного нагрева, который наблюдается в приложениях с непрерывным рабочим циклом. Это особенно важно при применении медицинского оборудования, такого как машина ТМС, где безопасность пациента и оператора может быть под угрозой.

Это исследование состоит из следующих разделов: в первом разделе представлена ​​предлагаемая структура устройства магнитного стимулятора.Затем объясняется конструкция драйвера для равномерного распределения тока между параллельными IGBT. Результаты измерений экспериментального прототипа приведены в разделе результатов. Наконец, представлено обсуждение ключевых выводов, ограничений предложенной схемы и выводов.

Материалы и методы

Как показано на рис. а, сетевое переменное напряжение преобразуется в постоянное с помощью двухполупериодного диодного выпрямителя, затем заряжаются конденсаторы звена постоянного тока (V DC ).Затем инвертор H-моста генерирует импульсный сигнал почти прямоугольной формы из напряжения постоянного тока с концепцией переключения частоты. В зависимости от требуемого уровня постоянного напряжения перед выпрямителем может быть установлен повышающий трансформатор. В предлагаемой схеме используются восемь IGBT-переключателей для снижения токовой нагрузки, образующих H-мост, как показано на рис. b. Полная лабораторная установка TMS представлена ​​на рис. , которая подключена к катушке стимуляции (L).

Экспериментальная установка TMS. a Физическая сборка и катушка стимуляции. b Внутреннее оборудование для коробки TMS. Напряжение и ток катушки измерялись с помощью высоковольтного дифференциального датчика (TA044, PICO TECHNOLOGY, Великобритания) и датчика тока Роговского (I6000S FLEX-24, FLUKE, США) соответственно

Предлагаемое устройство управляется MicroLabBox ( dSPACE GmbH, Германия) цифровая система управления (контроллер). БТИЗ подключены параллельно для увеличения допустимого тока. Структура H-моста выгодна по сравнению со структурой cTMS, поскольку для нее требуется только один источник постоянного тока.Однако необходимо учитывать некоторые недостатки структуры Н-моста. Изменения производственного процесса могут привести к отклонениям в параметрах силового ключа, таких как паразитная индуктивность. В дополнение к ним паразитная индуктивность силовой цепи и различные задержки распространения в системах драйверов могут увеличить асимметричное распределение тока между параллельно включенными IGBT ключами [18].

Схема драйвера играет ключевую роль в решении этих проблем. Например, в концепции отдельного драйвера, где каждый модуль IGBT имеет отдельный драйвер, различия во времени распространения сигнала к IGBT, разные напряжения затвор-эмиттер и джиттер (смещение времени из-за того, что цифровые драйверы имеют свои собственные системные часы) являются основными факторами асимметричного распределения тока.Напротив, в концепции центрального драйвера все параллельные переключатели управляются одним драйвером. Пока один драйвер имеет подходящие размеры, чтобы он мог обеспечить необходимый ток для всех подключенных к нему IGBT, скорость включения и выключения ключей не снижается.

В силовых цепях при быстром переключении больших токов паразитная индуктивность в цепи вызывает скачок напряжения. Это перенапряжение может превысить максимальное напряжение блокировки IGBT, что может привести к повреждению силовых ключей [19].Демпферы могут эффективно защищать от перенапряжения во время переходных процессов и удерживать IGBT в безопасной рабочей зоне. Снабберы подключены параллельно эмиттеру-коллектору IGBT, как показано на рис. Промежуточный контур содержит двухполупериодный диодный выпрямитель, емкостной резистор ограничения заряда с четырьмя импульсными конденсаторами. Этот блок выпрямляет напряжение, полученное от основной розетки, и заряжает конденсаторы. Последовательная структура конденсатора увеличивает его рабочее напряжение (до 1000 В), а его параллельная структура увеличивает емкость (C to  = 10 мФ).

Драйвер

В этом исследовании выбран и реализован центральный драйвер, как показано на рис. а также . Как показано на рис. а, предположим, что два параллельных IGBT (S1 и S2) подключены к драйверу напрямую, и между эмиттерами и драйвером нет сопротивления (R E  = 0). Различные паразитные индуктивности (L с1  ≠ L с2 ) или разное поведение при переключении приводят к разным падениям напряжения (V Ls1  ≠ V Ls2 ). Эта разница напряжений вызовет статический и динамический дисбаланс между токами двух эмиттеров (I E1 , I E2 ).

Предлагаемая концепция центрального драйвера для двух параллельных IGBT: a Балансирующий эффект эмиттерных резисторов. b Предлагаемый интерфейс драйвера затвора двух параллельных IGBT и ядра драйвера затвора масштаба 2 + 

Разделение тока между IGBT можно стимулировать путем добавления двух низкоомных резисторов между эмиттерами и драйвером (R E ): если один IGBT включается быстрее, его скорость нарастания тока коллектора будет больше, и поэтому на его индуктивности эмиттера будет создаваться большее падение напряжения, что, в свою очередь, уменьшает эффективное напряжение затвор-эмиттер, наблюдаемое IGBT, вызывая его скорость включения должна быть уменьшена.В предположении, что IC1+IC2≫IE, это может быть смоделировано как IG2RG2+REIE=VGE+ΔV2

4

Можно видеть, что более быстрое переключающее устройство (более высокое значение di/dt) испытывает снижение напряжения затвор-эмиттер (что будет иметь тенденцию к снижению его скорости переключения), а более медленное переключающее устройство (более низкое значение di/dt) будет испытывать увеличение напряжения затвор-эмиттер (что приведет к увеличению его скорости переключения) — т.е.е. сформировалась система отрицательной обратной связи [20].

По сути, эмиттерные резисторы допускают неравное напряжение затвор-эмиттер для двух IGBT, ограничивая циркулирующий ток I E до разумного значения. Выбор резистора эмиттера должен быть достаточно высоким, чтобы величина I E была должным образом ограничена, но достаточно низким, чтобы обеспечить достаточно быструю зарядку/разрядку емкости затвор-эмиттер приводом затвора. Если значение высокое, скорость переключения обоих IGBT будет снижена (что приведет к увеличению потерь мощности).Если значение сопротивления будет увеличено слишком сильно, может возникнуть переходная нестабильность. На практике разумным является выбор номинала резистора, обеспечивающего пиковый циркулирующий ток I E , равный номиналу драйвера (в данном приложении IE≈20 А по сравнению с IC≈ 1,8 кА).

Искусственное увеличение индуктивности эмиттера Ls1 и Ls2 сверх естественной индуктивности в цепи приведет к усилению балансирующего эффекта. Такое увеличение следует производить с осторожностью, так как оно приведет к снижению стабильности и может привести к деструктивным колебаниям или двойному переключению в IGBT.

Обратите внимание, что в каждой ноге верхний и нижний выключатели управляются дополняющим образом и ни при каких обстоятельствах не должны включаться одновременно. Это вызовет короткое замыкание в звене постоянного тока (так называемое «прорывное состояние») и, вероятно, разрушит цепь. Такое поведение может происходить из-за асимметричных времен задержки трактов управляющих сигналов. Для предотвращения этого можно использовать схемы мертвого времени [21].

Высокие скорости переключения БТИЗ являются собственным источником электромагнитных помех (ЭМП) [22].Эти источники электромагнитных помех легко подключаются к близлежащим кабелям и печатным платам. Для предотвращения нежелательного поведения могут потребоваться корректирующие действия (например, добавление экранирования). Наконец, для защиты чувствительной клеммы затвор-эмиттер от переходных процессов напряжения, вызванных выходным сигналом драйвера, электромагнитных помех и других временных событий напряжения, в схему драйвера затвора можно включить диоды подавления переходного напряжения (TVS). Окончательная структура драйвера показана на рис. b, а предлагаемые компоненты нейростимулятора — в таблице.Драйвер затвора представляет собой двухканальное ядро ​​драйвера, обеспечивающее размах напряжения  + 15 В/–8 В. Применение отрицательного напряжения в закрытом состоянии помогает предотвратить непреднамеренное включение IGBT. Подсчитано, что общая паразитная индуктивность составляет LS≈120 нГн для каждого IGBT. Оптимальное значение R E находится путем увеличения значения, начиная с 0,1 Ом, до тех пор, пока не будет достигнуто удовлетворительное распределение тока (в пределах 5%).

Таблица 1

Ключевые компоненты предложенного генератора магнитных импульсов

0 semix603gb12e4p 980 0 Scale 2 + Driver Core 0 Комплект питания 0 Конденсатор DC-Link 0 10 000 мкФ, 500 VDC 0 Kemet Electronics 3 = ± 19.7 V 0 Littelfuse Inc 0 Arcol 0 R E 0 R50031 0 AP821 R5 J Arcol
Компонент Оценка Рейтинг Номер детали Производитель
S1-S4 и S1′-S4 ‘ БТИЗ 1.2 кВ-1,8 ka
15,5 мкВ D70 удаленной катушки MAGSTIM
Gate Driver Core VGE На = 15 В, VGE Off = -8 V 2SC0106T2A1-12
Pulse Consacitor
0 ALS70A103NT500
ТВС Переходный В.Supressor V Разрыв
SMBJ16CA
R1, R2 Выключите и включите резистор 22 Ω RCC025 22R J
R GE Ворот-эмиттер резистор RCC050 22 K J
E
500 MΩ
Контроллер Цифровой контроллер Время рез.: 10 нс MicroLabBox dSPACE

Результаты

Генератор магнитных импульсов был охарактеризован экспериментально. Например, квадратный стимул 95 мкс (55 мкс положительной и 40 мкс отрицательной фазы) показан на рис. Значения напряжения и тока катушек зависят от индуктивности катушки, ширины стимулирующего импульса и амплитуды напряжения на конденсаторе. Результирующий выходной импульс имеет три различных уровня напряжения: катушка V  = {V DC , − V DC , 0}; V DC регулируется через регулируемый автотрансформатор.Цепь исследовалась при напряжении в звене постоянного тока V DC  = 1000 В и пиковом выходном токе до 3,6 кА (размах тока катушки 7,2 кА). Максимальная длительность положительного импульса в предлагаемом устройстве ТМС составляет до 600 мкс, которая регулируется оператором с дискретностью шага 10 мкс. Было измерено, что максимальная энергия, передаваемая лечебной катушке, составляет 100,4 Дж. Измерения проводились с помощью цифрового осциллографа с частотой дискретизации 250 Мвыб/с без какой-либо фильтрации импульсов переключения.

Измеренное напряжение катушки (V , катушка ) и ток катушки (I , катушка ) для квадратного стимула 95 мкс (55 мкс положительной и 40 мкс отрицательной фазы). Места измерения параметров (V , катушка ) и (I , катушка ) показаны на рис.

. разные состояния. Для этой цели форма импульса стимула, аналогичная рис.выпускался с эмиттерным резистором и без него. Токи измерялись в параллельных ключах S1 и S2 по схеме на рис. б, и пиковый ток катушки составил I виток  = 3,2 кА. В первом эксперименте сопротивления эмиттера были установлены равными нулю (R E  = 0). Результаты текущих измерений каждого IGBT показаны на рис. а. Из-за разных напряжений затвор-эмиттер в S1 и S2, возникающих из-за разных падений напряжения на паразитных катушках индуктивности, распределение тока неравномерно.Ток S1 и S2 составляет 40 и 60% от общего выходного тока соответственно. Путем добавления сопротивлений эмиттера и повторения эксперимента (R E  = 0,5 Ом, согласно таблице ) получаются результаты рис. b. Токи разделены почти симметрично. Таким образом, можно сделать вывод, что предложенная структура для двух параллельных драйверов переключателей позволила достичь приемлемого баланса распределения тока.

Влияние обратной связи эмиттера на распределение тока IGBT; a Отсутствие эмиттерных резисторов; b Эмиттерные резисторы включены.Видно, что отсутствие обратной связи в эмиттерном контуре вызывает неравномерное распределение тока в IGBT. Каждый квадрат представляет ток 1 кА за 20 мкс.

Обсуждение

Реализованная схема TMS основана на новой парадигме, в которой предлагается использовать технику H-моста и параллельных IGBT, которые могут изменить форму волны магнитного воздействия и снизить токовую нагрузку на БТИЗ. Современные магнитные стимуляторы ограничивают применение новых протоколов магнитной стимуляции в тестах ТМС.Большинство этих ограничений связано с принципами работы магнитных стимуляторов. Одним из их ключевых технических ограничений является форма и характер импульса, которые могут ограничивать клиническую эффективность устройств ТМС и ограничивать их исследовательский потенциал. Кроме того, создание последовательных и стабильных стимулов с высокой частотой повторения является одной из основных проблем этого метода. Выход предлагаемого устройства выходит за рамки обычных стимулов, таких как прямоугольные или затухающие косинусоидальные сигналы, и переходит к произвольному стимулу.Новые формы стимулов могут иметь практические преимущества по сравнению с импульсами, создаваемыми магнитными стимуляторами с генерацией тока, для клинических испытаний. Поскольку параллельные IGBT позволяют генерировать импульсы почти прямоугольной формы с высокой частотой повторения, последовательность импульсов можно использовать для генерации магнитных стимулов с помощью методов модуляции, таких как широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Метод модуляции позволяет управлять формой выходного сигнала, частотой и формой парадигмы лечения с помощью экономичных и надежных методов.Более подробная информация о подходе модуляции в устройствах TMS доступна в [23].

На рисунке приведен пример генерируемых магнитных импульсов ШИМ для имитации косинусоидального импульса частотой 2,5 кГц. Собственная низкочастотная природа нервных тканей ослабляет высокочастотные гармоники импульса, и изменения мембранного напряжения будут близки к идеальным [23].

Измеренные формы сигнала для двухфазного стимула 2,5 кГц (ШИМ-эквивалент для косинусоидального стимула)

Заключение

Устройства ТМС играют фундаментальную роль во многих решениях для неинвазивной модуляции мозга в различных областях диагностики и клинической неврологии.Предлагаемый нейростимулятор обеспечивает более гибкое формирование магнитного стимула с помощью архитектуры H-моста и параллельных IGBT. Кроме того, контролируемое формирование стимула потенциально может повысить избирательность нейронной популяции [24]. Одной из основных проблем, связанных с новой конструкцией устройств TMS, является большая нагрузка по току, приложенная к переключателям питания, и связанные с этим риски отказа устройства. Параллельное подключение IGBT становится необходимым для устройств TMS с более высокой номинальной выходной мощностью и рабочими циклами (таких как высокочастотные rTMS или QPS), где одного IGBT недостаточно.Параллельные IGBT создают проблемы в поддержании равномерного распределения тока при одновременном быстром включении и выключении; Для этого можно использовать концепцию центрального драйвера и эмиттерные резисторы IGBT.

Одним из ограничений предлагаемой конструкции является относительно большой размер реализованной схемы по сравнению с обычными системами TMS. Кроме того, из-за последовательного переключения IGBT существует возможность увеличения потерь мощности при переключении и более высокой температуры кристалла, что следует дополнительно изучить для повторяющихся протоколов TMS.Следует также дополнительно изучить влияние высокочастотных гармоник, вызванных прямоугольными магнитными стимулами, на поведение нейронов.

Таким образом, была исследована необходимость использования параллельных IGBT для снижения токовой нагрузки и поддержания всех переключателей в пределах их безопасной рабочей области. Предложенные схемы были охарактеризованы экспериментально. Результаты измерений показали, что предложенная схема драйвера может распределять равный ток между параллельными IGBT как в статическом, так и в динамическом состояниях, при этом безопасно генерируя импульсы длительностью до 600 мкс.

Дополнительная информация

Ниже приведена ссылка на электронные дополнительные материалы.

Благодарность

Авторы хотели бы поблагодарить компанию Magstim Company Ltd (Великобритания) за предоставление стимулирующей катушки, систем Magstim, ценные рекомендации по проектным решениям и стипендию MRC iCASE для Карен Вендт. Представленные технология и метод нейростимулятора являются предметом патентной заявки Оксфордского университета.

Финансирование

Эта работа была поддержана программным грантом от MRC Brain Network Dynamics Unit (MRC-BNDU) в Оксфордском университете, а также дополнительным финансированием Denison Королевской инженерной академией и Wendt стипендией MRC iCASE. .

Заявления

Конфликт интересов

От имени всех авторов соответствующий автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Сноски

Примечание издателя

Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Информация для участников

Маджид Мемариан Сорхаби, электронная почта: [email protected]

Карен Вендт, электронная почта: [email protected]

Дэниел Роджерс, электронная почта: [email protected]

Тимоти Денисон, электронная почта: [email protected]

Ссылки

1. Roth Y, et al. Вращательное поле ТМС: сравнение с традиционной ТМС на основе моторных вызванных потенциалов и порогов в моторной коре рук и ног. Мозговой стимул. 2020;13(3):900–907. doi: 10.1016/j.brs.2020.03.010. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]2. Паоло Казула Э. и др. Новые индексы TMS-EEG для исследования межполушарной динамики у людей.Клин Нейрофизиол. 2020;131(1):70–77. doi: 10.1016/j.clinph.2019.09.013. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]3. Эхтиари Х. и др. Транскраниальная электрическая и магнитная стимуляция (ЧЭС и ТМС) для лечения зависимости: консенсусный документ о современном состоянии науки и пути вперед. Neurosci Biobehav Rev. 2019; 104:118–140. doi: 10.1016/j.neubiorev.2019.06.007. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]4. Лиа Х и др. Кортикальная пластичность коррелирует с когнитивным улучшением у пациентов с болезнью Альцгеймера после лечения рТМС.Мозговой стимул. 2021 г.: 10.1016/j.brs.2021.01.012. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]5. Нгуен Т.Д. и соавт. Эффективность повторяющейся транскраниальной магнитной стимуляции (rTMS) при биполярной депрессии: систематический обзор и метаанализ. J Аффективное расстройство. 2021; 279: 250–255. doi: 10.1016/j.jad.2020.10.013. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]6. Цивиак С. и др. Неинвазивная нейромодуляция с использованием rTMS и гена электромагнитного восприятия (EPG) способствует пластичности после повреждения нерва. Мозговой стимул.2020;13(6):1774–1783. doi: 10.1016/j.brs.2020.10.006. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]7. Зоморроди Р. и др. Связь между кросс-частотной связью и нейропластичностью посредством парной ассоциативной стимуляции: исследование ТМС-ЭЭГ. Мозговой стимул. 2019;12(2):512. doi: 10.1016/j.brs.2018.12.680. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]8. Мацумото Х., Угава Ю. Четырехимпульсная стимуляция (QPS) Exp Brain Res. 2020; 238:1619–1625. doi: 10.1007/s00221-020-05788-w. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]9.Хамада М. и др. Двунаправленная долговременная пластичность и метапластичность моторной коры, индуцированная четырехимпульсной транскраниальной магнитной стимуляцией. Дж. Физиол. 2008;586(16):3927–3947. doi: 10.1113/jphysiol.2008.152793. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

10. Мемариан Сорхаби М. и др. (2017) «Транскраниальная стимуляция глубокого мозга: новый подход к высокому трехмерному разрешению», IEEE Access, стр. 3157 — 3171

11. Halawa I, et al. Нейрональная настройка: выборочное нацеливание на популяции нейронов посредством манипулирования шириной и направленностью импульса.Мозговой стимул. 2019;12(5):1244–1252. doi: 10.1016/j.brs.2019.04.012. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 12. Gattinger N, Moßnang G, Gleich B. flexTMS — новое повторяющееся устройство транскраниальной магнитной стимуляции со свободно программируемыми токами стимуляции. IEEE Trans Biomed Eng. 2012;59(7):1962–1970. doi: 10.1109/TBME.2012.2195180. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 13. Петерчев А.В. и др. (2014) «Транскраниальный магнитный стимулятор с регулируемым параметром импульса с улучшенной топологией схемы и формированием импульса», J Neural Eng., том. 11, нет. 5 [Бесплатная статья PMC] [PubMed]14. Ян С., Брайант А., Моуби П., Сян Д., Ран Л., Тавнер П. Отраслевой обзор надежности силовых электронных преобразователей. IEEE Trans Ind Appl. 2011;47(3):1441–1451. doi: 10.1109/TIA.2011.2124436. [CrossRef] [Google Scholar]

15. Perpiñà X et al (2013) «Роль компоновки в физике отказов IGBT при индуктивном отключении с перегрузкой», IEEE Transactions On Electron Devices, vol. 60, нет. 2, стр. 598–605

16. Лефевр С., Мизери Ф.Анализ операций отключения CIC NPT IGBT при высоком уровне коммутируемого тока. Трансэлектронные устройства IEEE. 1999;46(5):1042–1049. дои: 10.1109/16.760415. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 17. Мауро К. Избранные механизмы отказа современных силовых модулей. Микроэлектрон Надежность. 2002; 42(4–5):653–667. [Google Академия] 18. Танг И, Ма Х. Динамическая электротермическая модель параллельных модулей IGBT с несбалансированными параметрами рассеяния. IEEE Trans Power Electron. 2017;32(2):1385–1399. doi: 10.1109/TPEL.2016.2542198. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 19.Цзин Л., Ду М., Вэй К., Херли В.Г. Метод контроля состояния соединительных проводов в модулях IGBT, основанный на характеристиках вызывного напряжения. Трансэлектронные устройства IEEE. 2019;66(9):3953–3960. doi: 10.1109/TED.2019.2931445. [CrossRef] [Google Scholar]

20. Hofstötter N (2017) Модули IGBT в параллельной работе с центральной и отдельной платой управления. Замечания по применению Semikron (AN 17-001), стр. 1–27

.193–203

22. Коста Ф., Магнон Д. Графический анализ спектров источников электромагнитных помех в силовой электронике.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.