Электроника ЭПО. Силовая элеткроника.

«Зачем нам эта хрень !?» Читаем дальше!

Этим вопросом я задался когда при первой разборке своего привода я посмотрел на контактную группу привода. Скажу сразу, привод был китайский Р90, всё полная база, пружина и мотор стандартный Китай, который выдаёт 130м/с. Как думаешь, читатель, что же я там увидел? А увидел я там местами прогоревшую контактную группу.

Почему же это происходит?

В момёнт срывания ротора мотора, его обмотки пожирают очень большой ток, который называется пусковой, обусловлено это магнитными свойствами мотора, не будем вдаваться в подробности, нам этого не надо знать. Пусковой ток может достигать значения, которое превышает номинальный ток раза в два-три легко. Допустим, проводка может выдержать этот ток без критических изменений в своей структуре (плавление оболочки, плавление проводника), да и контактная группа в целом тоже способна выдержать из-за большой поверхностной площади, а так же площади сечения.
Но есть одно. Из курса школьной физики мы знаем, что ПОСТОЯННЫЙ ток перемещается по сечению проводника, а ПЕРЕМЕННЫЙ уходит из центра к поверхности, т.е. иначе говоря, эффективная площадь передачи тока, равна поверхностной площади проводника с небольшим проникновением, это называется глубина проникновения, а сам эффект называется – Скин эффект.
Когда мы видим скачкообразное нарастание тока, это является высокоскоростным участком сигнала, и на него будет реагировать наша цепь, а именно в эти наносекунды за которые происходит нарастание из нуля до пускового значения мы можем наблюдать Скин эффект.

Давайте теперь вернёмся к нашей несчастной контактной группе. Вы все же знаете что из себя представляет контактная группа?

Фотография за авторством BlackWolf.
http://photofile.ru/photo/artemph/96563287/small/122353002.jpg

Да, это простые две пластинки, между которыми вставляется кирпичик перемычка. Так вот, когда мы нажимаем на триггер, он заставляет перемещаться этот кирпичик в сторону пластин, и тут в какой то момент времени происходит замыкание. Т.к. наш мотор был в статическом состоянии, ему нужен ток, чтобы придать начальный момент вращения ротору мотора, для этого он захочет сожрать ток не меньше пускового, и он его сожрет, фиг вы ему чего противопоставите.
В это время, наша несчастная группа начинает себя не очень комфортно чувствовать. В момент времени, когда происходит замыкание пластинок, пересечение эффективных токопроводящих площадей очень мало. Т.е. мало того, что через довольно-таки узкую контактную площадь проходит большой ток, так он ещё и уходит от центра к поверхности. В этот момент мы видим искрение, это результат пригорания контакта, а за счёт прогорания увеличивается на какие-то нанометры зазор между кирпичиком и пластиной и происходит пробой, мы видим мааааленькую электрическую дугу.
http://photofile.ru/photo/artemph/96563287/small/122353003.jpg
Микропереключатель, особенно силовой, выполнен по простой схеме, которая даёт ему такую живучесть при довольно-таки больших токах. Большую роль конечно же играют металлы из которых сделаны контактные площади, но не маловажную роль играет и механизм. Там всё очень просто, при нажатии на внешний толкатель, он приводит в движение пластинку, которая сделана таким образом, что в момент касания перемещаемая пластинка и пластинка которая находится в статике, имеют сразу большую площадь касания, что приводит к минимальному обгоранию контактов.

Электронные ключи.

Я думаю что вы все уже наверно поняли, даже в базовом состоянии привода контактную группу необходимо разгружать. А загружают её несколькими способами:

1. Микропереключатель (Если есть фантазия, куда его корячить)
2. Электронные ключи

Рассмотрим сперва флагман семейства №2, вы наверно догадались уже, что речь пойдёт о великом и ужасном BTS555.
http://photofile.ru/photo/artemph/96563287/small/122353004.gif
Краткие ТТХ:
Максимальный ток сток-исток: 165А (чем больше, тем лучше, запас прочности, слышали про такое?)
Максимальное напряжение сток-исток: 34В (напряжение которое выдаёт ваш аккумулятор)
Рассеиваемая мощность корпуса: 300Вт.
Цена в розницу: 400р

Выше приведены самые главные ТТХ. Что мы из них видим. Максимальный пиковый ток 165А, что же, неплохо, но есть один маленький нюанс, такой ток вы сможете пропустит через транзистор при напряжении всего 1.7В, это ограничивается значением рассеиваемой мощности и внутренней электроникой, и то при условии что у вас будет стоять радиатор на подложке.

На самом то деле — это целая интегральная микросхема, в которой понапихано много всего полезного.
Давайте посмотрим, что там у неё внутри:
http://photofile.ru/photo/artemph/96563287/small/122353006.jpg
Да уж, инженеры инфеона поработали на славу!

Что мы видем, в центре нашего всего безобразия стоит контроллер всего и вся (блок logic).
Этот блок отвечает за все внешние параметры:

1.Входное напряжение (U in)
2.Выходное напряжение (U load)
3. Тестовые режимы контроля напряжений

И внутренние параметры и составные блоки:
1. Температура.
2. Уровень управляющего напряжения.
3. Уровень управляющего тока.
4. Угроза перегрузки транзистора.
5. Исправность транзистора.
6. Контроллеры автосмещения.

Данный ключ имеет защиту от антистатики, так что вы можете нахвататься сперва за свои волосы, а потом смело браться за транзистор руками и ничего ему не будет.

Как же оно всё это работает?
Читатель, знаешь как работают тормоза у грузовиков? Водитель сидя в кабине машины нажимает на педаль тормоза, тем самым приоткрывая кран из расширительного баллона с сжатым воздухом в тормозную систему. Под давлением тормозные колодки разжимаются и начинают тереться об тормозной диск… Всё, дальше нам не интересно.

Т.е. водитель, посредством малых усилий нажимая на педаль тормоза открывает дорогу большой силы, способной сдвинуть тормозные колодки с места, конечно же водитель не смог бы с той же лёгкостью своей ногой остановить машину, сил не хватит, да и ног тоже, сотрутся быстро.

С транзистором дела обстоят почти так же, мы подаём малый ток на управляющий контакт и в результате этого у нас открывается (грубо говоря) наш P-N переход между стоком и истоком, в результате чего начинает течь ток. Т.е. при напряжении приложенному к затвору, больше некоторого условного, у поверхности полупроводника, над затвором возникает инверсный слой, который является каналом сток-исток по которому бежит наш ток питающий мотор
.
Т.к. в транзисторе нету никаких подвижных частей, то пригорать там просто нечему, при больших токах просто N и P области сплавляются в единый кусок кремния и всё, ток перестаёт протекать между областями.
Посмотрим как происходит у нас это дело внутри ключа BTS555:
При подачи напряжения на управляющий контакт №2 (Vin) оно попадает на контроль уровня входных напряжений. Оно проверяет, достаточно ли напряжение для открытия полевого транзистора, если нет, то происходит подпитка за счёт Стокового напряжения контакта №3.
Если всё в рамках допуска уровней, управляющий элемент коммутирует входное напряжение с затвором полевого транзистора. Если при подачи напряжения на затвор, на выходе полевого транзистора ничего нету, логическое устройство прекращает подавать напряжение на затвор. Если всё идёт по плану, ток протекает через транзистор, то в сторожевой режим переводятся датчики: температуры, нагрузки, уровня входного напряжения, если какой-то из них подаст сигнал тревоги, ток перестаёт протекать через транзистор и ключ переходит в режим ожидания.

По такой простой и не замысловатой схеме работает BTS555 с кучей защиты, созданный прежде всего для цифровой силовой электроники где проходит хрупкая граница между слаботочной управляющей частью и силовой, поэтому там необходимо быть всегда на чеку, управляющее оборудование может стоить намного больше чем силовое.

Но какая может быть нежная и хрупкая слаботочка в цепи ЭПО? У нас всё просто, источник тока, кнопка, потребитель.

Рассмотрим спартанский вариант ключа, выкинем всё отнюдь не лишнее, но в нашем случае абсолютно бесполезное. Уберём логический центр, датчики перегруза, температуры, входных напряжений. Что же у нас останется? Полевой транзистор и блок смещения рабочей точки. Вместо цифрового регулятора поставим простой резистор между затвором и истоком.

Схема с guns.ru
http://photofile.ru/photo/artemph/96563287/small/122353007.jpg
Все делают по разному. Кто-то ставит 2 маломощных полевых транзистора в паралель, кто-то ставит 1 маломощный который впоследствии открывает более мощный (CTW работает по таком принципу). Я ставлю один мощный IRF 3703.:
http://photofile.ru/photo/artemph/96563287/small/122353010.jpg
Каткие ТТХ:
Максимальное напряжение сток-исток — 30В
Максимальный ток сток-исток — 210А
Максимальная рассеиваемая мощность — 230Вт
Цена в розницу: 100р
http://photofile.ru/photo/artemph/96563287/small/122352999.jpg
Принцип работы прост и безотказен, работает как работало 30 лет назад.
На затвор полевого транзистора подаётся напряжение, резистор его понижает до некоторого уровня (всё индивидуально от каждого аккумулятора и от резистора, точность их изготовления порядка 5%), задавая тем самым рабочую точку, открывается полевой транзистор и начет протекать ток, всё. Просто, дешево и безотказно.

Что будешь ставить ты, читатель, дело твое и решать тебе самому. Материала для раздумий более чем достаточно

Автор krant. СК «Соболь»