roboforum.ru

Технический форум по робототехнике.

 

Защитный элемент в схеме драйвера ШИМ: диод или конденсатор?

Резисторы, транзисторы, конденсаторы, микросборки, чип компоненты ...
Вопросы согласования управляющих модулей с периферией.

Защитный элемент в схеме драйвера ШИМ: диод или конденсатор?

Сообщение Zeus » 01 ноя 2009, 19:11

Меня очень поразили предыдущие ответы по этому вопросу и даже недавние ответы в теме Н-мосты, что показывает абсолютное незнание или просто ошибочное мнение, или люди просто запутались, такое тоже бывает, думаешь про одно - говоришь другое.
Самое главное, чтобы, люди, которые не разбираются в этом, получили нормальные знания и не стали так называемыми «Наудиными», которые с пеной у рта и самодельным устройством в одной руке, и цифровым тестером в другой, доказывают всемирному научному сообществу, что они изобрели вечный двигатель - ну не измеряют цифровым тестером импульсные токи! Почему привел пример с тестером? Потому что здесь же на форуме увидел фотографию робота гексапода с цифровым тестером, на котором показывался потребляемый ток в амперах. Потребление тока от аккумуляторов робота на сервоприводах, которые управляются ШИМом нельзя измерить цифровым тестером, он на импульсных тока «глючит» и показывает неправильное значение.
Понятно лишь то, что данный вопрос требует разъяснений и очень обширных, что смахивает на лекцию. Считайте, как хотите лекция, статья или еще что-то. Все, что будет рассмотрено ниже, основывается на основных законах физики и электротехники. Лично я ничего не выдумывал, а взял все из справочников.
Применение защитного элемента зависит от того, что он будет защищать: реле, двигатель постоянного тока, двигатель переменного тока, асинхронный двигатель и т.п.

Добавлено спустя 8 минут 41 секунду:
Пример №1. Защитный элемент для схемы реле на постоянном токе.

Рассмотрим применение защитного диода.
Rele.jpg

Для понимания процессов происходящих при коммутации обмотки реле, нужно знать параметры этой обмотки, а именно Полное сопротивление, равное активному плюс реактивному сопротивлениям:
1) Активное сопротивление обмотки реле. Рассчитывается исходя из номинального напряжения питания реле и мощности, необходимой для срабатывания и удержания контактных групп реле. Для слаботочных реле мощность обычно имеет значения 100-500мВт (можно взять из справочных данных). Выбор напряжения питания обмотки реле зависит от того, в каких цепях оно стоит, например 5В. Соответственно имеем ток 20-100мА и сопротивление обмотки реле – 0,25-0,05Ом. Для 220В постоянного тока имеем соответственно 0,45-2,27мА и сопротивление 488,8-97,7Ом.
2) Реактивное сопротивление обмотки реле – это индуктивность, умноженная на циклическую частоту. При постоянном напряжении реактивное сопротивление равно 0.
3) Индуктивность обмотки реле. Принцип работы реле – это принцип работы электромагнита. На сердечник из магнитомягкого железа наматывается медный изолированный провод. Из первого пункта имеем сопротивление обмотки реле, а, зная удельное сопротивление медного провода определенного сечения, можно узнать какой длины потребуется взять провод. В итоге получается, что даже при очень маленьком сечении провода будет довольно большое кол-во витков, а это в свою очередь ведет к увеличению индуктивности катушки. Поэтому индуктивность обмотки реле намного больше, чем якоря двигателя постоянного тока с постоянными магнитами.
В итоге, именно из-за большой индуктивности обмотки реле при коммутации, возникают значительные перенапряжения – более 1кВ, которые «выжигают» всю электронику.
Для того чтобы погасить появившееся перенапряжение от самоиндукции ставят диод, как показано на рисунке. Он замыкает индуктивность саму на себя. В итоге появившееся перенапряжение от самоиндукции гасится на сопротивлении самой обмотки, можно сравнить с режимом генератора на к.з., а так как сопротивление обмотки мало, то и перенапряжения при этом возникают маленькие и быстро затухают, практически мгновенно.
Все вроде хорошо на первый взгляд, но есть очень большой минус, когда мы подаем напряжение на обмотку реле, мы затрачиваем энергию, а при выключении энергия гасит саму себя на сопротивлении обмотки. Включение по схеме защитного диода применимо для устройств с малым числом коммутации в секунду (не чаще чем 1 раз в 1 секунду, а то и меньше), КПД при этом не сильно снижается.
Что-то никто из конструкторов во всем мире и даже вы сами не включаете реле ШИМом для снижения тока потребления от аккумулятора, потому что при большом числе коммутации куча энергии будет тратиться на гашение самой себя, это как разгон и торможение автомобиля в пробке: газ – тормоз и так с частотой 4-16 кГц.
Так почему в схеме реле нельзя заменить диод конденсатором? Потому что тогда в конденсаторе будет накапливаться энергия и при отключении реле появится временная задержка между закрытием транзистора и реальным обесточиванием обмотки реле, что недопустимо.
А вот теперь вопрос: «а что, если реле управляется не постоянным, а переменным напряжением? Какой защитный элемент ставят? Диод? Два диода?»
Ответ: «ставят варистор или RC-цепочку». Варистор ставят при любой частоте и даже меняющейся, но он ограничен по ресурсу кол-вом коммутаций. RC-цепочку ставят на определенную частоту, как правило, 50 Гц и ресурс у нее не ограничен. Причем применение RC-цепочки позволяет добиться довольно высокого КПД на определенной частоте, потому что энергия не гасит саму себя, а переходит из электродинамической в электростатическую (параллельный резонанс) с частотой собственных колебаний системы.
«Сон разума рождает чудовищ»
Аватара пользователя
Zeus
 
Сообщения: 857
Зарегистрирован: 28 июл 2009, 10:02
Откуда: Самара
ФИО: Павел Сергеевич

Re: Защитный элемент в схеме драйвера ШИМ: диод или конденсатор?

Сообщение EdGull » 01 ноя 2009, 19:13

а разве пик сможет открыть верхний полевик?
Аватара пользователя
EdGull
 
Сообщения: 10211
Зарегистрирован: 28 дек 2004, 20:33
Откуда: Тольятти
Skype: Ed_Gull
прог. языки: Bascom AVR Basic
ФИО: Гуль Эдуард Викторович

Re: Защитный элемент в схеме драйвера ШИМ: диод или конденсатор?

Сообщение Zeus » 01 ноя 2009, 19:19

Пример №2. Защитный элемент для схемы двигателя постоянного тока с постоянными магнитами (ДПТ).

Из первого примера видно, что при коммутации ШИМом при большой частоте КПД устройства с защитным диодом резко снижается, поэтому, как правило, на коллекторных электродвигателях в промышленности применяют защитный конденсатор.
Рассмотрим применение защитного конденсатора.

Motor.jpg


Так как в данном типе двигателя обмотки возбуждения заменены на постоянные магниты, то все регулирование параметров двигателя сводится к регулированию мощности через обмотку якоря (ротора).
Якорь двигателя содержит несколько обмоток, которые коммутируются коллекторным узлом при повороте вала на определенный градус. Большую часть угла поворота вала (360 градусов) обмотки находятся в замкнутом положении, но есть мертвые зоны отключения обмоток (5-15 градусов), именно из-за этого коллекторного узла и возникают перенапряжения, даже в отсутствие ШИМ модуляции транзисторами.
Когда двигатель рассчитывается на номинальное параметры работы, то при этом учитывается Полное сопротивление обмоток якоря равное Активному + Реактивному сопротивлениям при номинальных частоте вращения и крутящем моменте.
Для понимания процессов происходящих при коммутации двигателя постоянного тока с постоянными магнитами, нужно знать параметры обмоток его якоря, а именно, активное и реактивное сопротивления:
1) Активное сопротивление обмотки якоря. Для двигателей сопротивление обмотки якоря находится в широком диапазоне от 0,01-10Ом, в зависимости от номинального напряжения питания двигателя и его мощности.
2) Реактивное сопротивление обмотки якоря – это индуктивность, умноженная на циклическую частоту. Реактивное сопротивление двигателя нелинейно и зависит и меняется от разных параметров даже во время его работы, потому что обмотки движутся в поле постоянных магнитов статора, в отличие от реле у которого обмотки статичны и на них не действует внешнее магнитное поле. Циклическая частота не постоянна и зависит от питающего напряжения (ШИМ) и от частоты вращения вала (коллекторный узел). Следовательно, реактивное сопротивление не постоянно, а изменяется, поэтому при заклинивании вала якоря, реактивное сопротивление стремится к нулю, и полное сопротивление к активному, а оно очень мало, именно из-за этого двигатель можно «спалить».
3) Также нужно учитывать, что при работе двигателя при снятии напряжения за счет инерции вращения якоря двигатель переходит в режим генератора, что невозможно для реле. И чем больше кол-во витков провода (индуктивность растет), тем существеннее генераторный режим. Не всегда он нужен, иногда его специально стараются избегать конструктивно.
4) Индуктивность обмотки якоря. Из пунктов 1-3 и законов электротехники имеем необходимое номинальное реактивное сопротивление, из которого находим необходимую индуктивность обмоток якоря двигателя при номинальной частоте вращения. Понятно, что кол-во витков обмотки якоря намного меньше, чем у реле, а это в свою очередь ведет к уменьшению индуктивности обмоток якоря по сравнению с реле.
В итоге, именно из-за меньшей индуктивности обмотки якоря двигателя при коммутации, возникают незначительные перенапряжения, по сравнению с релейной схемой – 100-500 В.
Для того чтобы погасить появившееся перенапряжение от самоиндукции ставят конденсатор, как показано на рисунке. Он не замыкает индуктивность саму на себя как в случае схемы реле, а работает в паре с ней. Причем применение конденсатора позволяет добиться довольно высокого КПД, потому что энергия не гасит саму себя, а переходит из электродинамической в электростатическую – параллельный резонанс.

L.jpg


Вроде хорошо на первый взгляд, но есть и здесь отрицательный эффект – возникают самозатухающие колебания с высокой частотой (со сменной знака синусоиды), в зависимости от емкости конденсатора и индуктивности обмоток якоря двигателя, а также гармоники других порядков более высоких частот - радиопомехи. Поэтому и возникают «мухи» на экране телевизора при работе таких двигателей. Формулы можно взять из радиотехники, на таком принципе строятся высокочастотные передатчики радиочастоты.
Как бороться с этим явлением:
1) Повысить емкость конденсатора для снижения частоты колебаний, но так как конденсатор должен быть не электролитическим, то емкость будет прямо влиять на габаритные размеры устройства.
2) Установить конденсатор как можно ближе к коллекторному узлу. Практически конденсатор размещают на корпусе электродвигателя и припаивают на выводы «+» «-». Теоретически можно разместить на самом коллекторном узле между секторами, но нужно учитывать динамические нагрузки при вращении вала якоря, а также, надо будет произвести балансировку якоря двигателя.
3) Экранировать корпус электродвигателя. Если раньше большинство корпусов микродвигателей были из пластмассы с открытым коллекторным узлом, то современные микродвигатели делаются в металлических корпусах и на маленькие мощности изготавливаются с закрытыми коллекторными узлами. Необходимо соединить корпус электродвигателя с минусом аккумулятора и с корпусом устройства или робота (как на автомобиле – корпус является минусом).
Схема, кажется, очень простой, но многие не умеют подбирать параметры конденсатора:
1) Емкость конденсатора колеблется в зависимости от параметров двигателя и находится в диапазоне 0,01-10 мкФ.
2) Номинальное напряжение конденсатора. Многие допускают ошибку при выборе именно этого параметра. Номинальное напряжение конденсатора должно выбираться не на номинальное напряжение питания двигателя, а на величину перенапряжения возникающего при работе двигателя в паре с конденсатором определенной емкости, иначе его сразу пробьет, и он не будет работать. Как правило, при питании двигателя 3-12 В и емкости конденсатора 1-10мкФ, перенапряжение имеет диапазон 15-100В.
Вывод: чем больше напряжение питания, чем больше номинальная частота вращения вала двигателя, чем меньше емкость конденсатора, тем больше перенапряжение.
Пример: при напряжении питания двигателя 5В, мощности 0,5Вт, номинальной частоте вращения 6000об/мин, ставим конденсатор 2мкФ на 50В.
И еще один не маловажный фактор повышения КПД конкретно для приведенной схемы, именно из-за того, что возникают собственные колебания системы, то чтобы не тратить лишнюю энергию, открытие транзистора должно производиться, когда полусинусоида проходит положительный максимум, т.е. должны быть обратная связь по напряжению с обмоток двигателя на контроллер.

Добавлено спустя 3 минуты 25 секунд:
Пример №3. Защитный элемент для схемы частотного привода для асинхронного двигателя или инвертора.

Рассмотрим упрощенную схему частотного привода и защитные элементы в ней для одной обмотки асинхронного двигателя.
В этих схемах применяют в основном IGBT транзисторы со встроенным обратным диодом. Заметьте, защитный обратный диод стоит не параллельно обмотке двигателя как в схеме с реле, а ставиться параллельно транзистору. В этом очень большая разница!

Invertor.jpg


Любой ЧРП состоит из нескольких блоков:
1) выпрямительный блок - однофазные или трехфазные диодные мосты;
2) блок или звено постоянного тока (напряжения) – накопительные электролитические конденсаторы;
3) инверторный блок;
4) необязательные, но желательные блоки – это сглаживающие входные и выходные фильтры – обычно это дроссели, EMC, RC или LC фильтры, синусные фильтры.
Подчеркиваю, никаких защитных обратных диодов параллельно обмоткам двигателя не ставится.
Так куда же деваются перенапряжения, возникающие на обмотках двигателя при коммутации транзисторного ключа? Они проходят через обратный диод, внешний или встроенный в транзистор, и уходят в звено постоянного тока в электролитический конденсатор большой емкости, который их потребляет и тем самым сглаживает. Из-за диода никакие свободные самозатухающие колебания не появляются. При этом КПД такой схемы довольно высокий, так как энергия не гасится, а запасается в конденсаторе постоянного звена ЧРП, снижая потребление из внешней сети.
Более того, в таких схемах не только защитный обратный диод, но и защитный конденсатор не ставиться параллельно обмоткам двигателя, по причине возникновения паразитных собственных затухающих колебаний, частота которых будет существенно отличаться от необходимой рабочей частоты, выдаваемой ЧРП на обмотку двигателя, которая в разных ЧРП колеблется в диапазоне 0-1000Гц и является квазисинусоидальной.
Еще одной причиной, по которой не ставят конденсатор параллельно обмотке двигателя, является режимы автотюнинга или автоподстройки ЧРП под определенный двигатель, который осуществляется подачей постоянного или импульсного напряжения разной частоты, с помощью которых ЧРП измеряет сопротивление обмоток (активное и реактивное), индуктивность и другие параметры для построения математической модели управления двигателем.

P.S.: надеюсь после такой статьи многие поймут что, чем, как и в каких случаях правильно защищать.

Добавлено спустя 51 секунду:
EdGull писал(а):а разве пик сможет открыть верхний полевик?

мощный - нет не откроет - просто нарисовал для примера - что и откуда управляется.
«Сон разума рождает чудовищ»
Аватара пользователя
Zeus
 
Сообщения: 857
Зарегистрирован: 28 июл 2009, 10:02
Откуда: Самара
ФИО: Павел Сергеевич

Re: Защитный элемент в схеме драйвера ШИМ: диод или конденсатор?

Сообщение contr » 01 ноя 2009, 19:24

Потребление тока от аккумуляторов робота на сервоприводах, которые управляются ШИМом нельзя измерить цифровым тестером, он на импульсных тока «глючит» и показывает неправильное значение.

"Китаец" успешно усредняет показания. Это как раз тот действующий ток, который нас обычно и интересует.
А импульсные токи можно контролировать скопом, а иногда и встроенным в МК АЦП.
Вот элементы защиты - это отдельная тема, где лучше рассматривать конкретную схему, а не общие принципы.
Последний раз редактировалось contr 01 ноя 2009, 19:30, всего редактировалось 1 раз.
contr
 
Сообщения: 987
Зарегистрирован: 17 апр 2009, 15:09
Откуда: Rostov-Don
Предупреждения: -1

Re: Защитный элемент в схеме драйвера ШИМ: диод или конденсатор?

Сообщение Zeus » 01 ноя 2009, 19:30

Усредняет он абсолютно неправильно и выдаваемые им усредненные параметры очень сильно зависят от формы кривой напряжения и тока, а тем более если они пульсирующие и не с постоянной частотой и скважностью.
Последний раз редактировалось Zeus 01 ноя 2009, 20:26, всего редактировалось 1 раз.
«Сон разума рождает чудовищ»
Аватара пользователя
Zeus
 
Сообщения: 857
Зарегистрирован: 28 июл 2009, 10:02
Откуда: Самара
ФИО: Павел Сергеевич

Re: Защитный элемент в схеме драйвера ШИМ: диод или конденсатор?

Сообщение contr » 01 ноя 2009, 19:34

Усредняет он абсолютно неправильно и выдаваемые им усредненные параметры очень сильно зависят отформы кривой напряыжения и тока, а тем более если они пульсирующие и не с постоянной частотой и скважностью.

Это справедливо и для стрелочных приборов. При измерении ВЧ напряжений или импульсных токов они врут не меньше цифровых.
contr
 
Сообщения: 987
Зарегистрирован: 17 апр 2009, 15:09
Откуда: Rostov-Don
Предупреждения: -1

Re: Защитный элемент в схеме драйвера ШИМ: диод или конденсатор?

Сообщение Zeus » 01 ноя 2009, 19:41

По поводу стрелочных приборов тоже полностью согласен.

Я к тому, что нужно везде соображать своей головой.
Например, если вы взяли за основу построения своего драйвера схему в которой стоят IGBT транзисторы со встроенными обратными диодами, а у вас таких нет и вы вместо них ставите обычные полевики или биполярники, то просто необходимо параллельно ним поставить внешние диоды, но не в коем случае не на обмотки двигателя постоянного тока.
Более того такие схемы как правило имеют перед транзисторами электролитические конденсаторы, по типу схем ЧРП.
А если вы соберете схему: аккумулятор -> транзистор с параллельным обратным диодом -> обмотка двигателя, то никакие перенапряжения не погасятся, потому что Аккумулятор - это химический источник энергии, а не кондесатор.
Аккумулятору вредны импульсные токи зарядки и разрядки - емкость его при этом резко снижается.
«Сон разума рождает чудовищ»
Аватара пользователя
Zeus
 
Сообщения: 857
Зарегистрирован: 28 июл 2009, 10:02
Откуда: Самара
ФИО: Павел Сергеевич

Re: Защитный элемент в схеме драйвера ШИМ: диод или конденсатор?

Сообщение avr123.nm.ru » 01 ноя 2009, 19:54

Всю эту бредятину прошу переместить в Ад.
Аватара пользователя
avr123.nm.ru
отсылающий читать курс
 
Сообщения: 14200
Зарегистрирован: 06 ноя 2005, 04:18
Откуда: Москва
Предупреждения: -8

Re: Защитный элемент в схеме драйвера ШИМ: диод или конденсатор?

Сообщение Zeus » 01 ноя 2009, 20:04

Очень жаль, что Вы считаете информацию бредятиной? Вы возможно знаете, а кто-то другой тыкается и жгет и транзисторы и еще кучу всего.

Вот картинка с вашего сайта:
z8_080.gif
z8_080.gif (11.62 КиБ) Просмотров: 8707

Так вот обратный диод который стоит параллельно обмоткам двигателя - это и есть бред.
КПД вашей схемы драйвера меньше чем 90% и намного.
Последний раз редактировалось Zeus 01 ноя 2009, 20:26, всего редактировалось 3 раз(а).
«Сон разума рождает чудовищ»
Аватара пользователя
Zeus
 
Сообщения: 857
Зарегистрирован: 28 июл 2009, 10:02
Откуда: Самара
ФИО: Павел Сергеевич

Re: Защитный элемент в схеме драйвера ШИМ: диод или конденсатор?

Сообщение contr » 01 ноя 2009, 20:11

схему в которой стоят IGBT транзисторы со встроенными обратными диодами, а у вас таких нет и вы вместо них ставите обычные полевики или биполярники,

Не валите все в одну кучу. В полевиках защитный диод есть всегда, в силовых биполярниках тоже. А IGBT - гибрид двух первых. Наличие диода указано в маркировке.
contr
 
Сообщения: 987
Зарегистрирован: 17 апр 2009, 15:09
Откуда: Rostov-Don
Предупреждения: -1

Re: Защитный элемент в схеме драйвера ШИМ: диод или конденсатор?

Сообщение EdGull » 01 ноя 2009, 20:23

Zeus ненужно цитировать предыдущий пост или ты решил пойти на рекорд по полученным предупреждениям?
Аватара пользователя
EdGull
 
Сообщения: 10211
Зарегистрирован: 28 дек 2004, 20:33
Откуда: Тольятти
Skype: Ed_Gull
прог. языки: Bascom AVR Basic
ФИО: Гуль Эдуард Викторович

Re: Защитный элемент в схеме драйвера ШИМ: диод или конденсатор?

Сообщение Zeus » 01 ноя 2009, 20:27

Я и не валю все в одну кучу. А полевики есть и без встроенных защитных диодов :)

Добавлено спустя 2 минуты 59 секунд:
И за что мне предупреждение? за цитирование?
«Сон разума рождает чудовищ»
Аватара пользователя
Zeus
 
Сообщения: 857
Зарегистрирован: 28 июл 2009, 10:02
Откуда: Самара
ФИО: Павел Сергеевич

Re: Защитный элемент в схеме драйвера ШИМ: диод или конденсатор?

Сообщение EdGull » 01 ноя 2009, 20:39

за ИЗЛИШНЕЕ цитирование
Аватара пользователя
EdGull
 
Сообщения: 10211
Зарегистрирован: 28 дек 2004, 20:33
Откуда: Тольятти
Skype: Ed_Gull
прог. языки: Bascom AVR Basic
ФИО: Гуль Эдуард Викторович

Re: Защитный элемент в схеме драйвера ШИМ: диод или конденсатор?

Сообщение avr123.nm.ru » 01 ноя 2009, 20:41

Ужас какой-то.

Главное сам себе диагноз поставил в перовм посте:
Zeus писал(а):абсолютное незнание или просто ошибочное мнение, ...
думаешь про одно - говоришь другое.


но продолжает "лепить" ...
Аватара пользователя
avr123.nm.ru
отсылающий читать курс
 
Сообщения: 14200
Зарегистрирован: 06 ноя 2005, 04:18
Откуда: Москва
Предупреждения: -8

Re: Защитный элемент в схеме драйвера ШИМ: диод или конденсатор?

Сообщение EdGull » 01 ноя 2009, 20:45

авр меньше эмоций и больше конкретных доказательств того что ты считаешь бредятиной
Аватара пользователя
EdGull
 
Сообщения: 10211
Зарегистрирован: 28 дек 2004, 20:33
Откуда: Тольятти
Skype: Ed_Gull
прог. языки: Bascom AVR Basic
ФИО: Гуль Эдуард Викторович

След.

Вернуться в Электроника, электротехника

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: Google [Bot], Yahoo [Bot] и гости: 2

Mail.ru counter