DC motorvezérlés


2015-07-08 23:42:24

A tanszéki feladatok sosem fogynak el.
Feladat: Adott egy PLC aminek 0-10V-os kimenete van. Meg kéne róla hajtani egy villanymotort. Szerencsére a villanymotor is hasonló feszültségtartományban szeret működni. Mégsem lehet 1:1-ben rákötni, mivel az analóg kimenet maximálisan 20mA-t tud szolgáltatni, a kis DC motor viszont elképzelések alapján akár 100mA-t is felvesz terheletlenül.  Tehát készítsünk 0Ft-ból egy áramkört, ami az illesztést megvalósítja. A PLC meghajtására 24V mindig rendelkezésre áll.

1. Nem hiszünk a mende-mondáknak, megmérjük pontosan mekkora a terhelés, amit működtetni szeretnénk.
Gyorsan lemértem a feszültség-áram karakterisztikáját a motornak:

DC motor U-I karakterisztika

Ebből kiderül, hogy az ellenállása ~500Ohm, és 10-27mA-ig nagyon jól érzi magát.
Rterh=500Ohm, Iterh_max=27mA

 2. Veszünk egy alapkapcsolást:

A tranzisztornak van egy erősítési tényezője. Ezt szokták hFE-vel vagy Bétával jelölni. Amekkora áramot adunk a bázisra annak a bétaszorosa áram fog átfolyni a kollektoron. 
Rövid keresés után előkerült egy 2N2222A-s NPN tranzisztor, ami a 100mA-t elviseli így célunknak megfelelő lesz. Ennek a bétája adatlap szerint 115, mérve viszont 200-at kaptam.

3. Akkor számoljunk egy sort. 

  1. Vesszük azt az esetet, mikor legtöbb áramot vesz fel a motor, azaz a legjobban forog (27mA-t vesz fel).  Ezt akkor szeretnénk elérni mikor a bázisára adunk 10V-ot. A tranisztor hFE-je 200, a bűvös képletünk pedig Ic=hFE*Ib. Ha átrendezzük megkapjuk a bázisáramot. Ib=Ic/hFE ->Ib=135uA (mikroamper).
     Ez nem valami sok, valószínűleg a PLC fokozatát sem fogja nagyon megterhelni. De még mindig nem tudjuk milyen ellenállás kell a bázisra ami a rajzon az R1. Viszont tudjuk, hogy ekkor a bázison 10V van, és 135uA, azaz az ellenállás R=U/I képlet alapján: 74kOhm. Szerencsére ilyenről már hallottunk, csak egy kis keresgélés kell. 
  2. Összerakjuk a kapcsolást és bizony ez nagyon melegszik a tranzisztor. Gyorsan számolgatunk, miért van ez?

az átfolyó áram 27mA az nem valami sok. Hogy állunk a feszültségekkel? A motorunk 27mA esetén felvesz 12V-ot.  A többi 12V-ot bizony a tranzisztor fűti el. A 27mA nem sok, de ebben az esetben 12*0.027=0.32W. Adatlap szerint ez a tranzisztor fűtés nélkül elvisel 0.5W-ot, tehát a melegedése teljesen normális, és határértéken belül van.
Mi történik, ha mégis szeretnénk lépni az ügyben?

  1. betehetünk a motorral sorba egy ellenállást.   12V-unk van, amit el kéne fűteni. Hagyunk egy kis tartalékot a tranzisztornak, nehogy az ellenállással korlátozzuk az átfolyó áramot, így számoljunk úgy, hogy 10V-ot kell ellenállással még elfűteni. A tranzisztor továbbra is biztosítja a 27mA-t. Ekkor az ellenállásunk 370Ohm 270mW-os kell legyen.  Így a tranzisztor 2V-ot fűt el 27mA-el, ami 54mW. Sokkal barátságosabb.
  2. egy gyorsabb, de költségesebb megoldás, ha beépítünk egy feszültségstabilizátort. A 24V rendelkezésre áll, ha pl. 7812-vel előállítunk a motor működéséhez szükséges pozitív tápfeszültségnek 12V-ot, a tranzisztornak nem kell elfűteni azt.

Ezzel meg is volnánk a tervezéssel, már csak egy védődióda kell a motor 2 lábára és mehet is a futószalagra.


Egy-két gondolat, menet közben azért még felmerült. 

Teszteltem egy másik motort, aminek a jelleggörbéje nem volt ilyen barátságos. Az indulási árama 39mA, a 12V-on pedig már 52mA-t vett föl üresjáratban. 39mA-nél kevesebbet viszont fölösleges adni, mert a motor nem mozdul.


Gyorsan nézzük milyen paramétereink vannak. Utáp=12V, Imotor=39-52mA, Uvezérlő=0-10V. Tranzisztor ugyanúgy a 2N2222A, azaz a béta 200.
Tehát kiszámolhatjuk, hogy a bázisáram 195-250uA kell legyen( mert Ic=39-52mA). Ha 250uA akkor Rb ez esetben=40kOhm kell legyen.  Ekkor 10V 250uA-t fog jelenteni a bázis oldalon, a 195uA-t pedig akkor kapjuk mikor a bázisra kötött feszültségünk 7.8V.
Akkor letisztázva. 10V-ot a bázisra kötve,  normálisan forog a motor, 7.7V-ot kötve pedig már bizonyosan megáll a motor. Nem túl szerencsés, hogy nincs kihasználva a tartományunk (csak 2.3V-ot használunk a 10-ből).


Mit lehet tenni? Egy kis gondolkodás után meg is születik az egyik megoldás. 0-12V-ról üzemelő műveleti erősítő, nem invertáló összeadó kapcsolásából és feszültségosztóból megoldható. A műveleti erősítő egyik bemenetére a 12V-os táp segítségével előállítunk 7V-os fix feszültséget. A másik bemenetére, rákötjük a 0-10V-os jelünket feszültségosztón keresztül, így a 0-10V-ból kapunk 0-3V-ot amit ha hozzáadunk a fix 7V-hoz, 7-10V-os változást idézünk elő, Amit már rá lehet kötni a tranzisztoros fokozat bemenetére. Íme szimulálva:

Használjátok egészséggel az infókat!







Hozzászólások:


Hozzászólás beküldése (nyisd le)