Потужний драйвер двигуна постійного струму з використанням IR2110

Для управління швидкістю та напрямком обертання двигуна постійного струму нам потрібен драйвер двигуна певного типу, однією з найпопулярніших схем є H-Bridge. Для низького струму та напруги ми можемо використовувати цілісні рішення, такі як L293D тощо. Але якщо нам потрібна більша потужність і надійність, нам доведеться побудувати спеціальний H-міст із використанням транзисторів Mosfet. Цей тип транзисторів вимагає ретельного і правильного керування самим собою. Одним з найпопулярніших інтегральних рішень для керування MOSFET є IR2110 від Infineon.
У цій статті ми обговоримо, як використовувати цю мікросхему для створення потужного драйвера двигуна постійного струму.

IR2110 - це мікросхема високої напруги (до 500 В), яка підходить для керування різними типами MOSFET та IGBT. Цей пристрій містить як напівмостові драйвери, так і низькі, і високі.

Опис штифтів та інші параметри можна знайти в таблиці.

Ось типова схема

Це напівмостовий драйвер, а це означає ЗАВАНТАЖИТИ можна підключити штифт ЗАВАНТАЖЕННЯ або до AGND, залежно від стану вхідних штифтів УВІМКНУТИ HI і УВІМКНУТИ LO. Ці сигнали можуть бути статичною напругою логічних рівнів (3,3 - 5 вольт) або деякими імпульсними сигналами, такими як ШІМ.

Управління MOSFET Q2 дуже просте і не вимагає додаткових схем.
З Q1 все стає дещо складнішим, оскільки висновок ДЖЕРЕЛА цього транзистора плаває без прямого підключення до негативної лінії електроживлення.
Щоб мати можливість увімкнути цей транзистор, нам потрібно створити «віртуальну» нульову точку, і потрібна додаткова потужність.
Цю проблему можна вирішити за допомогою схеми завантаження.

Ви можете побачити діод D5 і два конденсатори С1 і С2. Коли низька сторона активна (Q2 відкрито), обидва конденсатори заряджаються через діод від джерела живлення IR2110 (зазвичай 12 В). Потім, коли висока сторона стає активною, ці конденсатори використовують для зарядки затвора Q1 і відкриття цього транзистора.
Значення C1 залежить від частоти перемикання та робочого циклу. Зазвичай це значення знаходиться в діапазоні 4,7 - 22 мікрофарадів.
Звичайно, існує формула, за допомогою якої можна розрахувати належне значення. Будь ласка, прочитайте цю примітку, якщо ви хочете дізнатись більше про плаваючі схеми та схеми завантаження.
Але також ви можете експериментально вибрати правильне значення конденсатора. Правильне значення гарантується, що конденсатор може розрядитися досить швидко, щоб закрити транзистор і зарядитися досить швидко, щоб досягти необхідного значення напруги. Краще використовувати танталові конденсатори, але електроліт також нормальний, але необхідний додатковий керамічний байпас.

Діоди D1 і D2 забезпечують швидкий розрядний контур, завдяки чому обидва транзистори можуть бути негайно закриті.

Діоди D7 і D9 захищають МОП-транзистори від великих індуктивних навантажень і дуже необхідні при керуванні двигунами.

Два резистори R5 і R6 використовуються для обмеження струму зарядки затворів для захисту транзисторів.
R2 і R1 - це додаткова схема захисту, яка запобігає плаванню штифта затвора і захищає транзистори від включення.

Коли обидва транзистори включаються одночасно - це велика проблема стріляти наскрізь. Це еквівалентно короткому замиканню, яке може зруйнувати як MOSFET, так і зіпсувати ваш день.

Щоб уникнути проникнення МОП-транзисторів, нам потрібно переконатися, що вхідні штифти ENABLE HI та ENABLE LO не активуються одночасно.

Одним із способів є використання простої схеми захисту, яка розміщена біля вхідних штифтів IR2110.

74HC00N - це чотириканальний 2-вхідний затвор NAND, який діє як схема перехресного блокування.
Побічним продуктом цієї схеми є інвертування сигналу, тому нам потрібно інвертувати фактичний вхідний сигнал раніше.
Отже, коли IN HI низький (наприклад) - вихідні висновки 6 і 8 знаходяться у високому стані, а висновок 6 фактично веде IR2110 ENABLE HI input.
Одночасно штифт 8 активує транзистор T2, який витягує вниз Включити низьку лінію, що захищає цю лінію від несанкціонованого активації.
Інша частина схем з Т1 працює так само.

Повний драйвер мосту.

Для побудови повного H-мосту нам потрібні дві однакові половини напівмоста.
У цьому випадку ENABLE HI першого IR2110 слід підключити до ENABLE LOW другого IR2110 і навпаки.

Навантаження з'єднується між терміналами навантаження обох половин.

Ось повна схема драйвера, який я використовую для великих двигунів на 110 вольт.
Цей пристрій містить усі описані вище схеми захисту, а також забезпечує гальванічну розв'язку на входах, щоб ми могли безпечно підключити мікроконтролер як джерело сигналу ШІМ.
Ця плата вимагає двох стабілізованих джерел живлення 5 і 12 вольт. Фактичний міст живиться від окремого 110-вольтного джерела.
Крім того, ви можете знайти схему вимірювання струму на основі датчика ефекту Холла ACS712. Ця частина не є обов’язковою і просто використовується у моєму поточному проекті.

Діоди D11 і D12 настійно рекомендуються для надійності. Цей діод забезпечує шлях для можливих зворотних струмів (у випадку довгих ліній між платою драйверів та контролером) у поганих умовах ЕМІ. Навіть малий зворотний струм може пошкодити світлодіодні оптрони.

Значення R9 і R10 слід вибирати для вашого варіанту 74HC00. Це може бути або 570 Ом, або 3,8 кОм. Для налагодження цієї частини вам потрібен приціл, який допоможе вам контролювати форму сигналу після 74HC00. Але якщо у вас його немає - просто замініть резистори, поки схема не запрацює.

І обидва шари для саморобки:

Комплектуючі плати з транзисторами середньої потужності.

І ще один варіант з великими транзисторами на радіаторі. Цей пристрій здатний рухати більше 2 кіловат навантаження.

Як бачите, потужні транзистори MOSF розміщені на радіаторах, подалі від плат драйверів.
Це допустимо, але провід між платами і транзисторами повинен бути якомога коротшим. Крім того, непогано скрутити лінію SOURCE і GATE як диференціальну пару, це дозволяє мінімізувати індуктивність.
Захисні резистори на цих лініях слід розміщувати якомога ближче до транзисторів.
Ви можете побачити все на фотографіях вище.

Лабораторні випробування цього водія.
Як джерело сигналу ШІМ я використовую генератор сигналів Siglent в імпульсному режимі. Частота становить 15 кГц, робочий цикл змінюється, що спричиняє зміни швидкості обертання двигуна.

Дякуємо за читання!
Сподіваюся, цей матеріал буде корисним.