Elmotor og transistorer (BD 681)

[Mads Aggerholm]

Davs igen,

Dette her er lidt en fortsættelse til mit tidligere indlæg: "El-motor med "vinkel" (snekkegear)" http://ingeniordebat.dk/index.php?topic=1710.0

Problemet var/er at motoren en gang imellem "kører fast". Nu har jeg fundet en løsning, hvor jeg kan bevare mere af kabinettet, så den er mere stabil.
"Mere stabil" er nøgleordet, for det sker desværre stadigvæk en gang imellem - blot ikke så ofte.

Som beskrevet har jeg en elmotor siddende til at låse min hoveddør op og i.
Jeg har en adapter som kan levere 12 V, 1 A til at drive værket.
Motoren styres med to transistorer, BD 681, som skulle kunne levere den nødvendige strøm. Da jeg monterede motoren målte jeg strømmen til ca. 1 A.

Når motoren kører, kan jeg måle at spændingen er helt nede på omkring 4 volt.
Den trækker med andre ord strøm så hatten passer!
Måler jeg på adapteren (mens motoren kører), ligger spændingen helt oppe på over 11 volt. Det er altså ikke her problemet er.

Jeg tror det er transistorerne som ikke kan klare mosten, for jeg kan sætte adapteren direkte på motoren når den er "kørt fast", og så kan den pludselig alligevel.

Har I nogen forslag til hvilke transistorer skal jeg anvende i stedet for?

[Kusco]

Hvad med 2stk. 2 polede relæer ?

Hvis du kun har 2 transistorer, hvordan kan du så vende retningen ?
Transistorer går ikke helt on, det vil nok være bedre med FET'er.


Bortset fra der så lyder 12V og 1A (12W) altså ikke overbevisende til at drive en snekkemotor der kan kører i spænd i yderstillingerne. Det er vel det den gør (?)

[Mads Aggerholm]

Hej Kusco,

Tak for svaret.

Der er faktisk fire transistorer, grunden til at jeg skrev to er fordi der kun bruges to ad gangen (to den ene vej, og to den anden vej).

Jeg er ikke ret glad for relæer, blandt andet på grund af overspændinger og kontaktslid.

Angående yderstilligner, så sidder der en snekke på motorakslen, som driver et tandhjul. Der er ikke nogle yderstillinger som sådan.

Du siger at det ville være bedre med FET - Det vil jeg gerne prøve, men hvad er det?

[Bent Andersen]

Dine transistorer får for lidt basisstrøm. For at få dem til at tænde helt (gå i mætning) skal du ikke regne med en HFE større end 100, dvs. du skal give dem omkring 10 mA. Databladet skriver HFE 750 min., men det er vildledende da de her arbejder lineært.
Bortset fra det, har du lagt mærke til mætningsspændingen VCE(SAT)? Den kan være helt oppe på 2.5 V, dvs. du taber 5 V undervejs. BD681 er nok ikke det optimale valg.

MvH,

Bent

[Mads Aggerholm]

Hej Bent,

tak for inputtet!

Jeg tror ikke det er basisstrøm, for de forsynes gennem to optocouplere, som igen drives af to transistorer, BC338. De får 1.7 V, 10 mA.

Det lyder som om de dér 5 volt som forsvinder kan have noget med sagen at gøre.
Har du et forslag til noget mere effektivt?

[Bent Andersen]

Jeg har i hvert fald et forslag til noget smartere:
http://www.st.com/stonline/products/literature/ds/1373/l6203.pdf

Jeg synes din konstruktion lyder noget "speget". Hvor kommer pludselig optokoblerne ind? Og hvordan styrer du de øverste transistorer? Jeg ville normalt forvente PNP typer på det sted.
Uden et diagram kommer vi ikke videre.

MvH,

Bent.

[Mads Aggerholm]

Hej igen,

Ja, jeg har en tilbøjelighed til ikke at forklare for meget. Dette er paradoksalt nok fordi jeg har en svaghed for at lade mine forklaringer løbe løbsk.

Grunden til optocouplerne er, at jeg har tingene til at køre i to separate systemer.
Motor og BD 680'ere har deres egen strømforsyning.
Dette styres så fra en større konstruktion, som også holder øje med alt muligt rundt om i huset. Denne styres igen af en computer vha. et Velleman K8061-kit.
Denne Konstruktion har også sin egen strømforsyning.

Når en motor kører, dannes der jo nogle overspændinger, som jeg nødigt vil have ind i mit kontrolsystem. Derfor valgte jeg at lave denne galvaniske adskillelse med optocouplerne.

BD 680'erne får basisstrømmen gennem optocouplerne fra den samme strømforsyning som den der driver motoren.

Interessant link, tak for det. Det skal jeg lige kigge nærmere på.

[Mads Aggerholm]

Så har jeg fået lagt et diagram på:

http://www.trucios.webbyen.dk/billed.asp?PrivatBilled=7605496

[Kusco]

Mig bekendt kan man godt uploade billeder direkte til siden her.

Selv om jeg stadig vil foreslå at bruge FET'er så er det ikke optimalt at du bruge NPN som "highside" switch de vil ikke kunne rigtigt on da spændingen over basis modstanden jo af gode grunde går mod 0 jo mere transistoren går on.
Du skal bruge PNP'er, vende dem rundt så emitter vender op og så lade basis strømmen trækkes mod 0 (stel).
Derved bibeholder du kontrollen over basisstrømmen.

R7 og R9 kan jeg ikke se noget formål med.

[Mads Aggerholm]

Okay! Jeg kender ikke særlig meget til FET'er, men nu har jeg kigget rundt bl.a. hos RS-components.

Et gæt siger mig, at jeg burde kunne bruge den her:

http://docs-europe.electrocomponents.com/webdocs/002d/0900766b8002d039.pdf

Lyder det fornuftigt?

[JMA]

Du skal bruge PNP'er, vende dem rundt så emitter vender op og så lade basis strømmen trækkes mod 0 (stel).

Du behøver ikke at bruge PNP'er. Diagrammet, som det er nu, er for NPN'er.

Transistorer, kan anvendes i mange koblinger. Meget almindeligt, er fælles emitter - her bruges PNP'er, for de transistorer der trækker mod plus, og NPN for transistorer der trækker mod minus.

Imidlertid har fælles emitter mange ulemper - eksempelvis går de i mætning - langt bedre er fælles kollektor, eller emitterfølgeren.

Emitterfølgeren bruger NPN transistorer, for dem der trækker mod plus, og PNP transistorer, hvor der trækkes mod minus.

Den konstruktion som du har, er en kombination af fælles kollektor (emitterfølger), og fælles emitter. For transistorer der trækker høj, anvendes fælles kollektor, og der anvendes fælles emitter, for dem der trækker lav. Det er meget normalt.

Ulempen ved emitterfølger, fremfor fælles basis, er at den har lidt større spændingstab. Der er mindst 0.6V - 0.7V, og typisk kommer 0.3V oveni. Altså et tab på 1V. For fælles emitter, med transistoren i mætning, er et typisk tab på kun 0.3V. Men det afhænger af strømmen.

Det som er galt, er sandsynligvis modstandsværdier, og måske er optokoblerne ikke i stand til at trække tilstrækkelig strøm. Krafttransistorer, har ofte lav strømforstærkning, måske kun 20 gange. Har ikke tjekket typen du bruger.

Drives optokobleren med 20mA, og får du kun 2mA ud af transistoren (har ikke tjekket data, måske er de bedre), så vil du kun kunne få 2mA * 40 = 80mA ud, ved 40 ganges forstærkning. Du har samtidigt modstande, der måske også sænker strømmen.

Der er også den mulighed, at du simpelthen har vendt transistorerne forkert. Bytter du emitter og kollektor, virker de til en vis grad alligevel, men forstærkningen er nu under 5.

Skal du have lav spændingstab, er MOS transistorer oftest at foretrække. Det nemmeste er måske at bruge en driver kreds. Der findes mos driver kredse der kan drive op til 6A.

Jeg foretrækker often emitterfølgere, hvis jeg kan acceptere spændingstabet på 1V (2V, når det går gennem to transistorer). Årsagen er, at emitterfølgere ikke behøver basismodstand, og derfor er utrolig simpel. Principielt kan R1 og R2 derfor fjernes, men det er sandsynligvis ikke godt, for spikes vil da nemmere kobles tilbage til optokoblerne. Optokoblere er nogenlunde robuste, så jeg tror ikke det sker noget ved det. Hvis det var CMOS kredse, kunne det være katastrofalt at fjerne R1 og R2.

Ved emitterfølgere undgår du, at transistorerne går i mætning, og derved måske brænder af. Metoden som her, hvor bare det ene hold transistorer (f.eks. dem der trækker op), er emitterfølgere, er meget brugt. Du burde ideelt set få spændingstab på højst 2V. (1V for emitterfølger, 0.3V for den i mætning ialt 2V, incl. nødvendig tollerance...)

Endeligt har emitterfølgere en beskyttelsesmæssig fordel. De virker i princippet som clamping dioden, der beskytter, ved eksempelvis relæer og induktiv belastning, og derfor er ikke kritisk med klamping dioder, hvis du kun bruger emitterfølgere. Her, har du kun emitterfølgere mod plus, og skal som minimum have klampingdioder for at beskytte transistorerne der trækker lav - altså beskyttelsesdioder fra udgangen, og til VDD. Transistorerne der virker som emitterfølgere giver ikke god beskyttelse her, da de arbejder inveteret, og ikke leder, samt nærmere fungere som zener, der brænder af.

Dette er så den tredie mulighed for fejl: At dine transistorer netop er brændt af, fordi du ikke har haft beskyttelsesdioder på.

[JMA]

Jeg så ikke, at du havde skrevet komponentværdier på.

BD681 er en darlington transistor med 750 i forstærkning.
Ved 1A, er basisstrømmen ca. 1mA. Over R1 bliver ca. 1V tab, plus 1.4V + 0.3V for transistor ialt 2.7V tab. Dertil er 1V over transistorer der trækker lav (0.7V + 0.3V). Ialt 3.7V tab. Ved forsyning med 12V, burde du få ca. 8V ud. Årsagen til det store spændingsfald er dels at det er darlington transistorer (giver ca. 1V spændingsfald), samt du bruger to som emitterfølgere (ca. 1.5V spændingfald). Din seriemodstand R1 er årsag til resten (1V).

Det nemmeste er sikkert at bruge en chip, f.eks. motordriver IC.

Vil du gerne bruge konstruktionen du har nu, er den nemmeste måde, at opnå lavere tab, at gøre R1 og R2 mindre - i princippet kan de helt kortsluttes. Du kan derved opnå op til ca. 1V mindre i tab.

Husk desuden dioder. Jeg tror dine transistorer er brændt af, eller er vendt forkert.

[Kusco]

Du behøver ikke at bruge PNP'er. Diagrammet, som det er nu, er for NPN'er.

Prøv lige at se på diagrammet igen.
Lad os sige optocoupleren går on og forbinder dermed hans basis modstande med de 12V.
Når transistoren trækker emitter mod de 12V daler hans basis strøm og slukker transistoren igen. Ikk oss ?

Derfor duer hans opstilling her ikke med NPN transistorer med mindre han havde en forsyning yderligere over de 12V så han kunne holde high side transistorerne on.

Iøvrigt også bekræftet her i et link jeg lige fandt.
http://homepages.which.net/~paul.hills/SpeedControl/MotorDriverTerms.html

[JMA]

Diagrammet er god nok. Funktionen er som følger:
Ønsker vi, at motoren løber den ene vej, aktiveres øverste optokobler . Udgangen af denne, trækker mod plus. Transistor T3, er en emitterfølger, og det betyder, at dens udgang også går mod plus. En emitterfølger er ikke inverterende, og udgangen følger indgangen, med et tab på ca. 0.7V, og 1.4V ved darlingtontransistorer som her. Modstanden R1 betyder intet, og kan ofte kortsluttes. Der kan være spikes, gå kortvarrige store strømme mv. som gør, at man ofte sætter en modstand på, af hensyn til "skrøbelige udgange". Og den er derfor en udmærket idé. Konklussionen er, at øverste udgang går høj (til ca. 9V, pga spændingsfald i darl. transistor og modstand samt forsyning). Du skal ikke lade dig forvire af, at det ikke er en PNP som trækker høj, men en NPN - det betyder bare, at  den er ikke inverterende, og anvender en anden kobling end fælles emitter.

T6 trækker lav, når basis hives op. Det er standard fælles emitter, som flertallet forstår. Fælles emitter, har en række ulemper, såsom mætning. Det betyder, at når indgangen senere går lav, så vil den blive ved med at trække et stykke tid. Derfor, skal være en lille pause, fra optokobler 1 holder op med at lede, og til optokobler 2 bringes til at lede. Ellers belastes transistor, og strømforsyning hårdt - typisk går store strømme, og hvis ikke transistorerne tager skade, så vil strømforsyningens lyt kunne tage skade langsomt med tiden. Sker skift sjælden, vil det dog nok aldrig ske. Med mange skift per sekund, går transistorer og lyt hurtigt.

Diagrammet du henviser til, at et diagram, hvor alle transistorer er i fælles emitterkobling. Det er der intet mystisk i. Indgangene til transistorerne er dog inverteret for dem der trækker op, i forhold til den med emitterfølger, som er brugt, og du kan derfor ikke direkte udskifte transistorerne med PNP typer. De vil simpelthen trække høj, når de ikke skal - og ikke trække høj, når de skal.

En simpel måde, at lave en udgangsdriver, er med 4 transistorer koblet som emitterfølger. I modsætning til dit diagram med PNP til at trække op, og NPN transistorer til at trække ned, så går emitterfølgerne ikke i mætning. Det betyder, at de ikke brænder af, eller belaster strømforsyning, uanset hvordan du bruger dem. Samtidigt spares komponenter. I princippet behøves kun to modstande, til pull-down, samt 4 transistorer. Og derudover de 2 optokoblere. Klampingdioderne er også overflødige ved emitterfølgere.

Ved fælles emitter, skal klamping dioder på, ved induktiv belastning, såsom motorer og relæer.

Når emitterfølgere ikke bruges så tit, skyldes det, at mange elektronikdesignere ikke kender transistorens 3 grundkoblinger. Dertil, har den større spændingsfald - for normale NPN og PNP transistorer op til 1V, og ved darlington ca. 0.6V-0.7V ekstra. En mulighed, for at opnå mindre spændingstab ved emitterfølgeren, er at drive den med større spænding på input, således indgangen drives over forsyningsspændingen og under 0V. Derved kan den i princippet drives op til mætning, og samtidigt undgås stadigt, at udgangene kortslutter. Har du eksempelvis en 12V udgang, men også 24V og -24V i kredsløbet, kan du bruge den større spænding til at drive basis'erne med til emitterfølgeren, gennem en begrænsermodstand. Derved går din emitterfølger i mætning (selvom man normalt siger den ikke gør). Dog, trækkes mætningsladningen hurtigt og aktivt ud ved skift, og ved typiske konstruktioner med en NPN til at trække høj, og en PNP til at trække lav, vil basis forbindes på de to transistorer, og forhindrer de leder begge samtidigt. Derfor opstår ikke problem med samtidigt ledende transistorer. Kun éen af basis emitter dioderne kan lede, når de er forspændt modsat over hinanden. I princippet, kan modstande mv. i tilslutniger gøre at den vedbliver at lede, trods den forspændes negativ med 0,7V, men det kræver relativ stor strøm, og forhindres af formodstanden. Der er kun éen formodstand til transistorerne, ellers vil det gå galt.

Emitterfølgeren, er også blandt de koblinger, der skifter hurtigst - den kan følge med til mange megahertz eller gigahertz. Fælles emitter, den står ofte af ved få hundrede kilohertz, og er den ringste af koblingerne, ved høj frekvens, med mindre der gøres noget aktivt, for at hindre mætning.

Indenfor CMOS transistorer, er tilsvarende tre grundkoblinger: Fælles source (svarende til fælles emitter), fælles gate (svarende til fælles basis), og fælles drain eller sourcefølger (svarende til fælles kollektor eller emitterfølger). Egenskaberne er omtrent de samme, men på grund af mos transistorens højere tærkselværdi, og dårlige ledeegenskaber, bruges fælles drain (sourcefølgere) ikke så ofte. Ved digitale kredse ses så godt som kun fælles source. I visse tilfælde, eksempelvis kontakter på digitale chips, bruges dog en slags sourcefølgere (weak-nmos pull-up), hvor der anvendes NMOS som pull-up. Det kan løses, ved at have P-mos transistorer, til at hjælpe med at trække op, eller forstærkere bagefter. Typiske ramlagre fungerer sådant, og har ikke fuld spændingssving på udgangen. I nogle tilfælde, er det grundet N-mos transistorernes bedre ledning, og mindre kapacitet, at der kun bruges N-mos transistorer, og så til gengæld noget kredsløb, der giver større spænding på disses gate. Derved undgås så mange P-mos transistorer, og ved multiplexere kan nøjes med éen transistor, og reduceres areal betydeligt. Men, det kræver en kondensatorpumpe, eller spændinger der giver mulighed for større spænding på gate, hvis de skal kunne lede godt. Ellers, må man have en hjælpetransistor på, til at trække op, og kun bruge N-MOS'en til at trække over tærskelspændingen. De mindre kapaciteter ved brug af kun N-MOS transistorer, kan også give lavere strømforbrug, udover de giver større hastighed.

En rutineret designer, bruger sædvanligvis transistorenes grundkoblinger effektivt, for at opnå de bedste kvaliteter for sit kredsløb. De dårligere "average" designere, bruger normalt kun fælles emitter, og fælles source.

[harbst]

Transistor T3, er en emitterfølger, og det betyder, at dens udgang også går mod plus. En emitterfølger er ikke inverterende, og udgangen følger indgangen, med et tab på ca. 0.7V, og 1.4V ved darlingtontransistorer som her.

Sådan skrev du JMA. Men det er jo kun rigtigt når transistoren i øvrige er i en forstærkertilstand med en tilstrækkelig spænding over  kollektoren- emitter strækningen.  Det er jo ikke ønskelligt , idet man jo netop helst vil drive  T3 i mætning. 

Kusco har ret. Diagrammet er ikke godt, hvis man ønsker mest mulig af forsyningsspændingen til motoren og mindst mulig til transistorerne.

Jeg ville nok have brugt relæer i stedet for transistorer i udgangen.
Relæer kan også styres af optokoblere.  De der absolut vil med elektronik hele vejen  (på nær motoren) vil nok stå sig ved at bruge den foreslåede IC men FET.