Микросхемы драйверов реверсируемых двигателей постоянного тока фирмы ROHM
В статье представлены драйверы реверсируемых двигателей постоянного тока общего назначения производства японской компании ROHM.
Японская компания ROHM представляет на рынке электронных компонентов драйверы реверсируемых двигателей постоянного тока общего назначения на основе технологии широко-масштабной интеграции LSI. Представленные драйверы могут быть трех видов: драйвер управления одним электродвигателем, двумя электродвигателями без стабилизации скорости, а также драйвер управ- ления одним электродвигателем с функцией стабилизации тока. Выбор необходимого драйвера и схемы включения можно сделать, основываясь на данных таблицы 1 и рис. 1–3. В основе всех драйверов реверсируемых двигателей постоянного тока лежит Н-мост на биполярных транзисторах, режим работы которого задается двумя логическими входами (табл. 2). При выборе драйвера необходимо руководствоваться величиной напряжения питания, мощностью электродвигателя, максимальным выходным током, рассеиваемой мощностью, наличием вспомогательной функции «термозащита» и «энергосбережение», возможностью установки выходного напряжения и работы с электронным регулятором скорости.
| Наименование | Напряжение питания, (В) | Мощность расс. (мВт) | Макс. выходной ток (мА) | Выход. режим* | Термо- защита | Энерго- сбереже- ние | Уст. выход. напряж. | Электрон- ный регулятор | Корпус | |
| Управл. блок | Выход. блок | |||||||||
| Драйвер одного реверсируемого двигателя постоянного тока | ||||||||||
| BA6208/F | 4,5 15 | 700/450 | 500 | FRSB | SIP9, SOP8 | |||||
| BA6209/N | 6 18 | 2200/1000 | 1600 | FRB | + | HSIP10, SIP10 | ||||
| BA6218 | 4,5 15 | 800 | 700 | FRSB | + | SIP9 | ||||
| BA6219B/BFP.Y | 8-18 | 2200/1450 | 2200 | FRSB | + | + | HSIP10, HSOP25 | |||
| BA6229 | 8-23 | 2200 | 1200 | FRSB | + | HSIP10 | ||||
| BA6283N | 5,5 15 | 1150 | 1000 | FRSB | + | + | + | SIP9 | ||
| BA6285FS/FP | 4,5 15 | 800/1500 | 1000 | FRSB | + | + | + | + | SSOP-A16, HSOP24 | |
| BA6286/N | 4,5 15 | 2000/1050 | 1000 | FRSB | + | + | + | + | HSIP10, SIP10 | |
| BA6287F | 4,5 15 | 650 | 1000 | FRSB | + | + | + | SOP8 | ||
| BA6288FS | 3,5 15 | 0-15 | 800 | 1000 | FRSB | + | + | + | + | SSOP-A16 |
| BA6289F | 3,5 15 | 0-15 | 650 | 600 | FRSB | + | + | + | SOP8 | |
| BA6417F | 3,5 15 | 0-15 | 650 | 1000 | FRSB | + | + | + | SOP8 | |
| BA6418N | 4,5 15 | 800 | 700 | FRSB | + | + | SIP9 | |||
| BA6955N | 5,5 15 | 1150 | 1000 | FRSB | + | + | + | SIP8 | ||
| BA6956AN | 5,5 15 | 1150 | 1000 | FRSB | + | + | + | + | SIP9 | |
| BA6920FP.Y | 6,5 34 | 1450 | 1000 | FRSB | + | + | + | + | HSOP25 | |
| Драйвер двух реверсируемых двигателей постоянного тока | ||||||||||
| BA6238A/AN | 8 18 | 2200/1000 | 1600 | FRSB | + | + | HSIP10, SIP10 | |||
| BA6239A/AN | 8-18 | 2200/1000 | 1200 | FRSB | + | + | HSIP10, SIP10 | |||
| BA6246N | 8-18 | 2200/1000 | 1000 | FRSB | + | + | HSIP10, SIP10 | |||
| BA6247/N/FP.Y | 8-18 | 2200/1000/1450 | 1000 | FRSB | + | + | HSIP10, SIP10, HSOP25 | |||
| BA6259N | 8-18 | 1000 | 1000 | FRSB | + | + | SIP10 | |||
| Драйвер реверсируемого двигателя постоянного тока с регулятором скорости | ||||||||||
| BA6950FS | 3-16 | 800 | 400 | FRSB | + | + | SSOP-A16 | |||
| BA6951FS | 3-16 | 800 | 800 | FRSB | + | + | SSOP-A16 | |||
F — Forward (вперед), R — Reverse (реверсирование), S — Stop (стоп), B — Short brake (тормоз).
Рис. 1. Драйвер одного электродвигателя постоянного тока
Рис. 2. Драйвер двух электродвигателей постоянного тока
Рис. 3. Драйвер электродвигателя с регулятором скорости
Прибор BA6208 относится к группе простых драйверов одного реверсируемого двигателя постоянного тока и применяется в основном для управления двигателем кассетного магнитофона. Внутренняя схема драйвера BA6208 представлена на рис. 4. Управление драйвером осуществляется логическими сигналами, соответствующими ТТЛ-уровням.
Рис. 4. Внутренняя схема (типовая) драйвера BA6208
Таблица 2. Режимы работы драйвера одного реверсируемого двигателя постоянного тока
| Режим | Авх. (Fвх.) | В вх. (Rвх.) | Вых1 (Авых.) | Вых2 (Ввых.) |
| Вперед | 1 | 0 | 1 | 0 |
| Назад | 0 | 1 | 0 | 1 |
| Тормоз | 1 | 1 | 0 | 0 |
| Отключение | 0 | 0 | Z* | Z* |
Z* — разомкнутое состояние ключевого транзистора (OPEN)
Два управляющих входа (табл. 2) определяют четыре возможных режима работы драйвера: вращение вперед, назад (реверсирование), стоп и тормоз. В режиме торможения выводы электродвигателя соединяются с общим проводом питания, и осуществляется быстрый останов. В режиме «стоп» выводы электродвигателя отключаются от источника питания и останов происходит произвольно.
Основные характеристики драйвера BA6208:
Таблица 3. Максимальные значения BA6208 (T a =25 °С)
| Параметр | Обозн. | Макс. | Ед. | |
| Напряжение питания | VCC | 18 | 8 | |
| Мощность расс. | BA6208 | Pd | 700* | мВт |
| BA6208F | Pd | 450** | мВт | |
| Рабочая температура | Topr | –40 +60 | °C | |
| Температура хранения | Tstg | –55+125 | °C | |
| Макс. выходной ток | Iout | 500 | мА | |
* понижается на 7 мВт на каждый 1 °С выше 25 °С
** понижается на 4,5 мВт на каждый 1 °С выше 25
Драйвер BA6209 аналогичен предыдущему, за исключением отсутствия режима «стоп». Основная область применения BA6209 — это кассетные магнитофоны и видеомагнитофоны.
Основные характеристики драйвера BA6208:
Рис. 5. Схема включения драйвера BA6209
Таблица 4. Максимальные значения (Ta=25 °С) BA6209
| Параметр | Обозн. | Макс. | Ед. | |
| Напряжение питания | VCC | 18 | 8 | |
| Мощность расс. | BA6209 | Pd | 2200* | мВт |
| BA6208N | Pd | 1000** | мВт | |
| Входное напряжение | Vin | –0,3 VCC | B | |
| Рабочая температура | Topr | –40 +60 | °C | |
| Температура хранения | Tstg | –55+125 | °C | |
| Макс. выходной ток | Iout | 1.6*** | мА | |
* понижается на 22 мВт на каждый 1 °С выше 25 °С ** понижается на 10 мВт на каждый 1 °С выше 25 °С *** изменяется на 1% при изм. длительности имп. на 3500 мкс.
Таблица 5. Описание выводов драйвера BA6209
| Номер вывода | Обозначение | Назначение |
| 1 | GND | Общий провод |
| 2 | OUT1 | Вывод подключения двигателя |
| 3 | VZ1 | Вывод подключения конденсатора для предотвращения одновременного включения вых. транзисторов |
| 4 | Vref | Вывод установки уровня «высокий». |
| 5 | FIN | Логический вход |
| 6 | RIN | Логический вход |
| 7 | VCC1 | Питание внутреннего блока управляющей логики |
| 8 | VCC2 | Питание выходного силового драйвера |
| 9 | VZ2 | Вывод подключения конденсатора для предотвращения одновременного включения вых. транзисторов |
| 10 | OUT2 | Вывод подключения двигателя |
Рис. 6. Входной управляющий сигнал
Для уменьшения мощности, рассеиваемой микросхемой, и в целях защиты от пробоя необходимо к выводу питания силового драйвера обязательно подключать последовательно резистор величиной 3–10 Ом. Время нарастания и спада управляющего логического сигнала (рис. 7) должно быть менее 5 мс, иначе возможна некорректная работа и выход из строя микросхемы.
Рис. 7. Схема включения драйвера BA6218
Потенциал общего вывода микросхемы должен быть всегда ниже потенциала других выводов. На входы нельзя подавать напряжение, пока микросхема не запитана. После подключения питания к выводу Vcc, на другие выводы не может быть подан потенциал выше, чем на Vcc.
Рис. 8. Схема включения драйвера BA6219B
Драйвер BA6218 рассчитан на максимальный выходной ток 0,7 А. Логическая часть и силовая имеют отдельные «земляные» выводы. При подключении электронного регулятора микросхема может использоваться для управляемого реверса и в режиме регулятора скорости. Управление режимами осуществляется по двум входам логическими сигналами с ТТЛ-уровнями.
Драйверы BA6219B и BA6219BFP-Y позволяют управлять скоростью вращения двигателя, изменяя прикладываемое напряжение. Выходной ток может достигать 2,2 А. Имеется встроенная защита от перегрева.
Рис. 9. Схема включения драйвера BA6229
Драйвер BA6229 потребляет в статическом режим всего 1 мА при напряжении питания Vcc=12 В. Диапазон питающих напряжений составляет 8–23 В. Входные управляющие уровни — КМОП.
Рис. 10. Блок-схема драйвера BA6229
Рис. 11. Схема включения драйвера BA6238A
BA6950FS (рис. 12) является драйвером реверсируемого коллекторного двигателя. Два логических входа позволяют управлять четырьмя возможными режимами работы. Скорость вращения задается произвольно, и управлять ею можно по отдельному выводу микросхемы. Встроенная схема температурной защиты срабатывает при достижении 175 °С и возврат в рабочий режим происходит при снижении температуры на 20 °С. Встроенная функция стабилизации частоты вращения реализована посредством контроля и коррекции потребляемого тока. Контроль тока осуществляется измерением падения напряжения на последовательном шунте и усилением сигнала рассогласования.
Рис. 12. Схема включения драйвера BA6950FS
Таблица 6. Режимы работы драйвера двух реверсируемых двигателей постоянного тока
Источник
Управление двигателями постоянного тока. Часть 1
Владимир Рентюк, Запорожье, Украина
В статье дается краткий обзор и анализ популярных схем, предназначенных для управления коллекторными двигателями постоянного тока, а также предлагаются оригинальные и малоизвестные схемотехнические решения
Электродвигатели являются, наверное, одним из самых массовых изделий электротехники. Как говорит нам всезнающая Википедия, электрический двигатель – электрическая машина (электромеханический преобразователь), в которой электрическая энергия преобразуется в механическую. Началом его истории можно считать открытие, которое сделал Майкл Фарадей в далеком 1821 году, установив возможность вращения проводника в магнитном поле. Но первый более-менее практический электродвигатель с вращающимся ротором ждал своего изобретения до 1834 года. Его во время работы в Кёнигсберге изобрел Мориц Герман фон Якоби, более известный у нас как Борис Семенович. Электродвигатели характеризуют два основных параметра – это скорость вращения вала (ротора) и момент вращения, развиваемый на валу. В общем плане оба этих параметра зависят от напряжения, подаваемого на двигатель и тока в его обмотках. В настоящее время имеется достаточно много разновидностей электродвигателей, и поскольку, как заметил наш известный литературный персонаж Козьма Прутков, нельзя объять необъятное, остановимся на рассмотрении особенностей управления двигателями постоянного тока (далее электродвигателями).
К двигателям постоянного тока относятся два типа – это привычные для нас коллекторные двигатели и бесколлекторные (шаговые) двигатели. В первых переменное магнитное поле, обеспечивающее вращение вала двигателя, образуется обмотками ротора, которые запитываются через щеточный коммутатор – коллектор. Оно и взаимодействует с постоянным магнитным полем статора, вращая ротор. Для работы таких двигателей внешние коммутаторы не требуются, их роль выполняет коллектор. Статор может быть изготовлен как из системы постоянных магнитов, так и из электромагнитов. Во втором типе электродвигателей обмотки образуют неподвижную часть двигателя (статор), а ротор сделан из постоянных магнитов. Здесь переменное магнитное поле образуется путем коммутации обмоток статора, которая выполняется внешней управляющей схемой. Шаговые двигатели («stepper motor» в английском написании) значительно дороже коллекторных. Это достаточно сложные устройства со своими специфическими особенностями. Их полное описание требует отдельной публикации и выходит за рамки данной статьи. Для получения более полной информации по двигателям этого типа и их схемам управления можно обратиться, например, к [1].
Коллекторные двигатели (Рисунок 1) более дешевы и, как правило, не требуют сложных систем управления. Для их функционирования достаточно подачи напряжения питания (выпрямленного, постоянного!). Проблемы начинают возникать, когда появляется необходимость в регулировке скорости вращения вала такого двигателя или в специальном режиме управления моментом вращения. Основных недостатков таких двигателей три – это малый момент на низких скоростях вращения (поэтому часто требуется редуктор, а это отражается на стоимости конструкции в целом), генерация высокого уровня электромагнитных и радиопомех (из-за скользящего контакта в коллекторе) и низкая надежность (точнее малый ресурс; причина в том же коллекторе). При использовании коллекторных двигателей необходимо учитывать, что ток потребления и скорость вращения их ротора зависят от нагрузки на валу. Коллекторные двигатели более универсальны и имеют более широкое распространение, особенно в недорогих устройствах, где определяющим фактором является цена.
| |||||
| Рисунок 1. | Коллекторный двигатель с редуктором (а) и типовая конструкция коллекторного двигателя (б). | ||||
Поскольку скорость вращения ротора коллекторного двигателя зависит, в первую очередь, от подаваемого на двигатель напряжения, то естественным является использование для его управления схем, имеющих возможность установки или регулировки выходного напряжения. Такими решениями, которые можно найти в Интернете, являются схемы на основе регулируемых стабилизаторов напряжения и, поскольку век дискретных стабилизаторов давно прошел, для этого целесообразно использовать недорогие интегральные компенсационные стабилизаторы, например, LM317 [2]. Возможные варианты такой схемы представлены на Рисунке 2.
| |||||
| Рисунок 2. | Схемы управления маломощным коллекторным двигателем на базе ИМС LM317. | ||||
Схема примитивная, но кажется очень удачной и, главное, недорогой. Посмотрим на нее с точки зрения инженера. Во-первых, можно ли ограничить момент вращения или ток двигателя? Это решается установкой дополнительного резистора. На Рисунке 2 он обозначен как RLIM. Его расчет имеется в спецификации, но он ухудшает характеристику схемы как стабилизатора напряжения (об этом будет ниже). Во-вторых, какой из вариантов управления скоростью лучше? Вариант на Рисунке 2а дает удобную линейную характеристику регулирования, поэтому он и более популярен. Вариант на Рисунке 2б имеет нелинейную характеристику. Но в первом случае при нарушении контакта в переменном резисторе мы получаем максимальную скорость, а во втором – минимальную. Что выбрать – зависит от конкретного применения. Теперь рассмотрим один пример для двигателя с типовыми параметрами: рабочее напряжение 12 В; максимальный рабочий ток 1 А. ИМС LM317, в зависимости от суффиксов, имеет максимальный выходной ток от 0.5 А до 1.5 А (см. спецификацию [2]; имеются аналогичные ИМС и с бóльшим током) и развитую защиту (от перегрузки и перегрева). С этой точки зрения для нашей задачи она подходит идеально. Проблемы скрываются, как всегда, в мелочах. Если двигатель будет выведен на максимальную мощность, что для нашего применения весьма реально, то на ИМС, даже при минимально допустимой разнице между входным напряжением VIN и выходным VOUT, равной 3 В, будет рассеиваться мощность не менее
Таким образом, нужен радиатор. Опять вопрос – на какую рассеиваемую мощность? На 3 Вт? А вот и нет. Если не полениться и рассчитать график нагрузки ИМС в зависимости от выходного напряжения (это легко выполнить в Excel), то мы получаем, что при наших условиях максимальная мощность на ИМС будет рассеиваться не при максимальном выходном напряжении регулятора, а при выходном напряжении равном 7.5 В (см. Рисунок 3), и она составит почти 5.0 Вт!
 | |
| Рисунок 3. | График зависимости мощности, рассеиваемой на ИМС регулятора, от выходного напряжения. |
Как видим, получается что-то уже не дешевое, но очень громоздкое. Так что такой подход годится только для маломощных двигателей с рабочим током не более 0.25 А. В этом случае мощность на регулирующей ИМС будет на уровне 1.2 Вт, что уже будет приемлемо.
Выход из положения – использовать для управления метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Он, действительно, самый распространенный. Его суть – подача на двигатель промодулированных по длительности однополярных прямоугольных импульсов. Согласно теории сигналов, в структуре такой последовательности имеется постоянная составляющая, пропорциональная отношению τ/T, где: τ – длительность импульса, а T – период последовательности. Вот она-то и управляет скоростью двигателя, который выделяет ее как интегратор в этой системе. Поскольку выходной каскад регулятора на основе ШИМ работает в ключевом режиме он, как правило, не нуждается в больших радиаторах для отвода тепла, даже при относительно больших мощностях двигателя, и КПД такого регулятора несравненно выше предыдущего. В ряде случаев можно использовать понижающие или повышающие DC/DC-преобразователи, но они имеют ряд ограничений, например, по глубине регулировки выходного напряжения и минимальной нагрузке. Поэтому, как правило, чаще встречаются иные решения. «Классическое» схемное решение такого регулятора представлено на Рисунке 4 [3]. Оно использовано в качестве дросселя (регулятора) в профессиональной модели железной дороги.
 | |
| Рисунок 4. | «Классическая» схема управления коллекторным двигателем на основе ШИМ (согласно оригиналу [3]). |
На первом операционном усилителе собран генератор, на втором компаратор. На вход компаратора подается сигнал с конденсатора C1, а путем регулирования порога срабатывания формируется уже сигнал прямоугольной формы с нужным отношением τ/T (Рисунок 5).
 | |
| Рисунок 5. | Диаграмма управления коллекторным двигателем на основе ШИМ. Верхняя трасса – напряжение на конденсаторе С1; средняя (пересекает верхнюю) – сигнал управления (напряжение на движке резистора RV2); нижняя – напряжение на двигателе. |
Диапазон регулировки устанавливается подстроечными резисторами RV1 (быстрее) и RV3 (медленнее), а сама регулировка скорости осуществляется резистором RV2 (скорость). Обращаю внимание читателей, что в Интернете на русскоязычных форумах гуляет похожая схема с ошибками в номиналах делителя, задающего порог компаратора. Управление непосредственно двигателем осуществляется через ключ на мощном полевом транзисторе типа BUZ11 [4]. Особенности этого транзистора типа MOSFET – большой рабочий ток (30 А постоянного, и до 120 А импульсного), сверхмалое сопротивление открытого канала (40 мОм) и, следовательно, минимальная мощность потерь в открытом состоянии.
На что нужно в первую очередь обращать внимание при использовании таких схем? Во-первых, это исполнение цепи управления. Здесь в схеме (Рисунок 4) есть небольшая недоработка. Если со временем возникнут проблемы с подвижным контактом переменного резистора, мы получим полный почти мгновенный разгон двигателя. Это может вывести из строя наше устройство. Какое противоядие? Установить добавочный достаточно высокоомный резистор, например, 300 кОм с вывода 5 ИМС на общий провод. В этом случае при отказе регулятора двигатель будет остановлен.
Еще одна проблема таких регуляторов – это выходной каскад или драйвер двигателя. В подобных схемах он может быть выполнен как на полевых транзисторах, так и на биполярных; последние несравненно дешевле. Но и в первом и во втором варианте необходимо учитывать некоторые важные моменты. Для управления полевым транзистором типа MOSFET нужно обеспечить заряд и разряд его входной емкости, а она может составлять тысячи пикофарад. Если не использовать последовательный с затвором резистор (R6 на Рисунке 4) или его номинал будет слишком мал, то на относительно высоких частотах управления операционный усилитель может выйти из строя. Если же использовать R6 большого номинала, то транзистор будет дольше находиться в активной зоне своей передаточной характеристики и, следовательно, имеем рост потерь и нагрев ключа.
Еще одно замечание к схеме на Рисунке 4. Использование дополнительного диода D2 лишено смысла, так как в структуре транзистора BUZ11 уже имеется свой внутренний защитный быстродействующий диод с лучшими характеристиками, чем предлагаемый. Диод D1 также явно лишний, транзистор BUZ11 допускает подачу напряжения затвор-исток ± 20 В, да и переполюсовка в цепи управления при однополярном питании, как и напряжение выше 12 В, невозможны.
Если использовать биполярный транзистор, то возникает проблема формирования достаточного по величине базового тока. Как известно, для насыщения ключа на биполярном транзисторе ток его базы должен быть, по крайней мере, не менее 0.06 от тока нагрузки. Понятно, что операционный усилитель такой ток может не обеспечить. С этой целью в аналогичном, по сути, регуляторе, который используется, например, в популярном мини-гравере PT-5201 компании Pro’sKit, применен транзистор TIP125, представляющий собой схему Дарлингтона. Тут интересный момент. Эти мини-граверы иногда выходят из строя, но не из-за перегрева транзистора, как можно было бы предположить, а из-за перегрева ИМС LM358 (максимальная рабочая температура +70 °С) выходным транзистором (максимально допустимая температура +150 °С). В изделиях, которыми пользовался автор статьи, он был вплотную прижат к корпусу ИМС и посажен на клей, что недопустимо нагревало ИМС и почти блокировало теплоотвод. Если вам попалась такое исполнение, то лучше «отклеить» транзистор от ИМС и максимально отогнуть. За это know-how автор статьи был премирован компанией Pro’sKit набором инструментов. Как видите все нужно решать в комплексе – смотреть не только на схемотехнику, но и внимательно относится к конструкции регулятора в целом.
| |||||
| Рисунок 6. | Пример схем регуляторов с ШИМ и изменением опорной частоты. | ||||
Есть еще несколько интересных схем более простых ШИМ-регуляторов. Например, две схемы на одиночном операционном усилителе с драйвером опубликованы в [5] (Одна из них приведена на Рисунке 6а). Есть схемы и на базе популярного таймера серии 555 [6] (Рисунок 6б). Эти дешевые решения не должны вводить вас в заблуждение своей кажущейся простотой. Вспомним А.С. Пушкина: «Не гонялся бы ты, поп, за дешевизной». Или французов: «За каждое удовольствие нужно платить». Обе эти схемы формируют суррогатный сигнал ШИМ с изменением опорной частоты. Так схемы на ОУ из [5] меняют частоту управления во время регулирования от 170 Гц до 500 Гц, а схема на таймере – от 150 Гц до 1000 Гц, и ее диапазон регулировки (верхний диапазон) ограничен скважностью 9.5. Для некоторых применений это может быть недопустимо, так как на больших частотах двигатель может и не заработать, или не дать нужный момент вращения. Это происходит из-за того, что ток в обмотке двигателя, которая представляет собой индуктивность, устанавливается не мгновенно, а нарастает и спадает по экспоненте. Более корректные схемы на базе таймера и одиночного ОУ приведены на Рисунке 7.
| |||||
| Рисунок 7. | Схемы регуляторов с ШИМ без изменения опорной частоты. | ||||
Аналогичные по структуре регуляторы можно построить и на цифровых логических элементах, но они имеют малую нагрузочную способность и требуют отдельного источника питания, поэтому в данной статье не рассматриваются. Применение же таймера 555 интересно тем, что частота генератора, выполненного на его базе, практически не зависит от напряжения питания. Кроме того, большинство ныне выпускаемых зарубежных аналогов, выполненных по биполярной технологии, допускает выходной ток до 200 мА и более. То есть, они могут легко справиться и с емкостью затвора MOSFET и с мощными ключами на биполярных транзисторах. Близкий к таймеру 555 советско-российский аналог – это ИМС (КР)1006ВИ1. Максимальный выходной ток для КР1006ВИ1 и КМОП-версий таймера составляет 100 мА.
Источник
