9. Защиты

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).

Для решения этих задач необходимо фиксировать напряжение, пропорциональное току. Стандартный способ – это использовать закон Ома: напряжение прямо пропорционально току, коэффициент пропорциональности – резистор.

Схема включения резистора (шунта) показана на рис. 8.1.

Рис.8.1. Схема включения резистора Rш

В какую бы сторону не запускался двигатель, на R_ш будет выделяться напряжение одной полярности, но такой способ включения резистора имеет существенные недостатки:

- резистор R_ш должен быть мощным и безиндуктивным (серийно выпускаемые витые мощные резисторы имеют недопустимо высокую паразитную индуктивность);

- необходим мощный радиатор для отвода тепла от него, чтобы не было влияния температуры на его величину;

- резистор создаёт дополнительные потери мощности, снижающие КПД схемы (например, I_пус = 50 А, R_ш = 0.1 Ом, Р = 250 Вт).

9.1 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 потеря мощности минимальная. На дополнительном выводе (SENSE) протекает ток, пропорциональный основному (коэффициент понижения K_п обычно 200…1000).

Рис. 8.2. 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:

^.

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

Транзистор VT5 выбирается так же, как и мощные ключи VT1-VT4 (на ток, напряжение, мощность, расчёт теплоотвода).

Единственное отличие, что U_{си доп} должно быть большим, чем напряжение питания драйверов мощных VT (U_{п др} ≈ 20 В). При запирании SENSE МДП – транзистора, напряжение для удерживания в открытом состоянии мощных транзисторов U_G будет недостаточно (U_G ≈ 0) и последние закрываются, тем самым всё напряжение питания двигателя E_n будет приниматься ими. Для расчёта величины R_ш необходимо использовать справочную зависимость SENSE МДП-транзистора (рис. 8.3) с учётом напряжения срабатывания зашиты от токов к.з. (IR2121 – 230 мВ).

Для других SENSE МДП – транзисторов коэффициент K_п может не зависеть от величины R_ш (например BUK7C06-40AITE).

Способом проб выбирают такую величину R_ш , чтобы выполнялось соотношение для тока короткого замыкания (I_к.з.):

_. (8.1)

где I_кз = I_пус∙∙К_кз (К_кз – см.техническое задание).

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

U_m = .

отсчитывается при напряжении затвора U_G ≈ 20 В, R_ш1 принимается из диапазона 0.5…6.6 Ом (см. рис. 8.3). Затем необходимо рассчитать делитель (R₂, R₃ – порядка единиц кОм), чтобы неравенство 8.1 преобразовать в равенство 8.2.

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

_. (8.2)

и можно не применять резисторный делитель (R₂), а величину R₃ выбирать исходя из требований к фильтрации высокочастотных помех.

Величину 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}. Емкость С₂ - фильтрующая ёмкость источника питания драйверов, может отсутствовать. В общем случае желательна для фильтрации высокочастотных помех по источнику питания.

Рис. 8.3. Зависимость коэффициента понижения K_п от величины напряжения на затворе (U_G ) и величины сопротивления R_ш (транзистор типа SUM50n03-13LC)