Защиты. 
Проектирование электронного устройства для управления двигателем постоянного тока (ДПТ)

В курсовом проекте предусматриваются защиты:

• — от длительного пускового режима, когда по какой-то причине двигатель не набирает обороты;
• — от больших токов, протекающих через транзистор (защита от токов короткого замыкания).

Защита от токов короткого замыкания

Схема подключения резистора R_ш, свободная от указанных недостатков, приведена на рис. 8.2. В ней в цепь протекания якорного тока двигателя включён SENSE MДП — транзистор. Он постоянно открыт (вход IN драйвера IR2121 подключён к +20В) и потери мощности минимальные. На дополнительном выводе (SENSE) протекает ток, пропорциональный основному (коэффициент понижения K_п -справочный параметр).

Рис. 8.1. Схема защиты от токов к.з. на базе SENSE — МДП транзистора (VT5)

Микросхема IR2121 (драйвер нижнего ключа мостовой схемы) оснащена довольно сложной схемой защиты силового транзистора от перегрузки по току (I_кз). Уменьшенный в K_п ток транзистора измеряется шунтом R_ш и через делитель напряжения (резисторы R_2,R₃) (R_ш, R_2,R₃ совместно определяют ток срабатывания защиты), поступает на вход CS. Ёмкость C₃ предназначена для подавления высокочастотных помех. Если напряжение на входе CS > 0.23 В, то внутри драйвера включается компаратор напряжения, который переводит микросхему в режим стабилизации стокового тока VT5 на уровне:

^.

за счёт регулирования напряжения на затворе транзистора VT5.

Одновременно с этим запускается схема формирования задержки времени выключения питания затвора мощного ключа. Длительность этой задержки определяется временем заряда конденсатора C₁ от 0 до 1.8 В под действием постоянного тока I_зар = 0.1 мА.

Время задержки рассчитывается по формуле:

^. (8.1).

По истечении этой задержки силовой транзистор на этом цикле коммутации (в течение периода T) запирается. В следующем цикле всё повторяется.

Ток короткого замыкания определим из следующей формулы:

Исходя из технических данных двигателя, нужно выбрать VT по параметрам:

I_К max (I_С max)=1,3• I_пуск=1,3•4,26 5,54 A.

U_КЭ max (U_СИ max)=1,25U_Н•К=1,25•110•1,8 248 B.

Выбираем SENSE МДП транзистор BUK7109−250AIE, параметры которого приведены в таблице 8.1.1 Выбираем драйвер IR2121, параметры которого приведены в таблице 8.1.2.

Таблица 8.1.1.

Таблица 8.1.2.

Для упрощения расчётов желательно выберем SENSE МДП транзисторы, в которых коэффициент K_п не зависящий от величины резистора подключаемого к его дополнительным электродам, это лучший вариант. С этой же целью выбирают такую величину R_ш1, чтобы выполнялось соотношение для тока короткого замыкания (I_к.з.):

_.

С другой стороны U_ш должно удовлетворять условию не срабатывания защиты от пускового тока:

U_ш1 = < 0.23.

Так как K_п не зависит от величины R_ш, то просто решается уравнение:

_. (8.2).

Так как Kп не зависит от величины R_ш1, то его значение определяется как:

Возьмем резистор номиналом по ГОСТ 15 Ом и мощностью рассеивания 0,125 Вт;

Величину R₃ и С₃ выбирают исходя из требований к фильтрации высокочастотных помех.

Номинал ёмкости C₁ рассчитывают по равенству (8.1), а t_зад задают в диапазоне, чтобы минимизировать величину мощности рассеивания VT5 и не увеличивать площадь радиатора: 0? t_зад ?0.1 t_и max.

Исходя из выражения 8.1 найдем значение С1:

Берем значение емкости С₁ по гост, номиналом C₁ = 2,2 нФ;

Рассчитаем площадь радиатора для SENSE — транзистора:

Для этого сначала найдем падение напряжения на открытом ключе, как это было в первой части курсового проекта:

Рис. 8.2. Справочная зависимость I_си=f (t?C)

Отмечая на ней пусковой ток двигателя, определяем, что в транзисторе необходимо поддерживать максимальную температуру Т₃?С (Т₃ = 173? С).

Рис. 8.3.Справочная зависимость R_си=f (T?C)

Тогда окончательная величина R_си для дальнейших расчётов равна:

а напряжение открытого ключа:

.

Далее найдем выделяющуюся мощность на транзисторе за период коммутации мощных ключей:

.

где — максимальный ток стока мощного транзистора в пусковом режиме (Iпус) = 4,26 А;

для SENSE — транзистора,.

Тогда рассчитаем мощность потерь транзистора:

Так как полученное значение мощности для SENSE — транзистора получилось меньше 1 Вт, то для него не нужно рассчитывать радиатор, так как он обеспечит теплоотвод за счет своих габаритов.

Защита от длительного пускового режима

Схемная реализация такой защиты представлена на рис. 8.4, резистор и ёмкость С₃ рассчитывают в соответствии с временными параметрами задания (время срабатывания защиты t_з пус). Из равенства (8.2), задавая напряжение U_ш2 (U_ш2=[0.3−0.5] В) и подставляя ток I_пус, рассчитывают значение величины R_ш2. Ёмкость С₃ определяет задержку срабатывания защиты в соответствии с уравнением:

U_зар = |0.23 В|= U_ш2*.

Решая это уравнение, задаваясь величиной C₃, найдем величину резистора R₃.

Рис 8.4 Мощный каскад на IGBT транзисторах с защитами от длительного пускового режима (VT5) и токов к.з. (VT6)

Напряжение на шунте, заряжающее ёмкость примем 0.3 В. Тогда величина сопротивления Rш2 для защиты от длительного пускового режима:

Выберем резистор R_ш2 по ГОСТ типа МЛТ 36 Ом, мощностью 0,125 Вт.

Зададимся величиной С₃ 100 мкФ, рассчитаем значение R3:

Примем стандартное значение R₃= 200 кОм и мощностью рассеивания .