Protezione da sovratensione

Area dedicata ai convertitori lineari e di tipo switching (SMPS). Scambio di schemi, calcoli e progettazione
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andrea78
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Protezione da sovratensione

Messaggio da andrea78 »

Ciao

Condivido un'esperienza di oggi.
Il problema era con un alimentatore switching che alimenta un grosso motore DC, sottoposto ad uno sforzo molto variabile. Il problema era che nel momento che lo sforzo diminuiva di colpo, l'alimentatore andava in protezione e si spegneva. Il motivo è che nel momento che diminuiva lo sforzo e quindi la corrente assorbita, si verificava una sovraelongazione della tensione di uscita. Per un breve periodo andava oltre la soglia di protezione contro le sovratensioni e l'alimentatore si spegneva.
Dopo aver cercato, in vari modi e senza successo, di risolvere agendo sulla protezione, alla fine ho risolto in tutt'altro modo e condivido come ho fatto.
Il circuito ricalca il moltiplicatore di capacità spiegato da Pier in un suo video
Immagine.png
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Il MOS l'ho polarizzato con 200mA a riposo. Non l'ho calcolato, sono andato a tentativi partendo da un valore basso, appunto 200mA. Al primo colpo ha funzionato, l'ho lasciato così (l'alimentatore eroga oltre 25A, 200mA sono nulla a confronto). Nel momento che crolla l'assorbimento e la tensione tenta di crescere di colpo per via della sovraelongazione, il MOS assorbe corrente "frenando" la salita della tensione.
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pgv
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Re: Protezione da sovratensione

Messaggio da pgv »

Reazione automatica: Motore DC => diodo di protezione (protegge l'alimentatore).

I carichi induttivi richiedono per principio un diodo in grado di assorbire le correnti/tensioni inverse generate dal carico induttivo allo spengimento.

Per un motore DC, il posizionamento dipende dal tipo di motore (cito a memoria, speriamo bene):
- se il motore ha spazzole, il diodo va in parallelo con il motore, ovviamente montato "inverso" cosi' da non condurre quando il motore e' alimentato;
- se il motore non ha spazzole, il diodo va in serie con l'alimentazione (in modo da condurre, ovviamente).

E' chiaro che il diodo deve essere dimensionato, in tensione e in corrente, in maniera appropriata.
andrea78
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Re: Protezione da sovratensione

Messaggio da andrea78 »

Sì, quello che dici è corretto, ma per brevità avevo semplificato la spiegazione.
Tra l'alimentatore ed il motore (a spazzole) c'è un bridge ad H pilotato in PWM (BTS7960, quello sotto, foto e schema) ed il motore ruota sia in un verso che nell'altro. In questo caso mettere dei diodi di protezione diventa complicato. Bisognerebbe usare degli zener che intervengano solo per tensioni superiori alla tensione di alimentazione e dovrebbero essere di potenza (lo realizzerei con un transitor di potenza, pilotato in base da uno zener). Ma non sono sicuro che il problema venga dal motore, dal fatto che il carico sia induttivo, perchè la sovratensione me la ritrovo a monte del ponte ad H, mi sembra strano che scavalchi il ponte. Non ho fatto prove di conferma con un carico resistivo rapidamente variabile, ma penso che la sovraelongazione venga dall'alimentatore stesso (sovracompensazione del sistema retroazionato, tipo i grafici che vedi qui https://dsp.stackexchange.com/questions ... -confusion)
H-Bridge Drive BTS7960 - Twins Chip.jpg
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pgv
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Re: Protezione da sovratensione

Messaggio da pgv »

I diodi di protezione in questo caso dovrebbero essere incorporati nella schedina, alle uscite dei controllori. Non possedendone una, non posso verificare.
Comunque, tanto di cappello per la soluzione trovata!
tiziao
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Re: Protezione da sovratensione

Messaggio da tiziao »

Da verificare che non serva un elettrolitico di buona capacità vicino alla scheda motori.
andrea78
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Re: Protezione da sovratensione

Messaggio da andrea78 »

Il potere del confrontarsi...
Dal commento di pgv, sono andato ad approfondire e penso di aver capito tutto "il giro"
Questo è preso dal datasheet, è una metà del ponte ad H.
Immagine.png
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Come giustamente hai scritto, i diodi di protezione sono interni.
Il condensatore sull'alimentazione c'è, è una batteria di condensatori per un totale di oltre 12000uF.
Il "giro" penso sia questo, il motore al momento che viene meno il carico, quindi crolla la corrente, genera un picco di tensione che tenta di mantenere costante la corrente che lo attraversa. Tale corrente passerà, da un lato del ponte, nel diodo che chiude verso massa, ma dall'altro lato passa dal diodo che chiude verso la capacità, che si carica salendo di tensione quel tanto che basta per mandare in protezione l'alimentatore.
Ross
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Re: Protezione da sovratensione

Messaggio da Ross »

Nelle macchine industriali gli azionamenti sono equipaggiati di un'uscita per una resistenza freno, nei cambi di direzione del moto il motore a causa della massa da muovere (in decelerazione) genera un innalzamento della tensione del bus interno e la logica di controllo di conseguenza scarica la tensione in eccesso nella resistenza freno evitando il sovraccarico pericoloso.
Data la potenza da dissipare, le resistenze freno sono messe in contenitori con ventilatori.
Si potrebbe risolvere con uno shunt come questo qui sotto, presente nel datasheet del TL431 della TI, opportunamente modificato/dimensionato.
High current shunt regulator
High current shunt regulator
High_current_shunt_reg.png (12.06 KiB) Visto 2632 volte
Ross
Dino
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Re: Protezione da sovratensione

Messaggio da Dino »

andrea78 ha scritto: ven 28 mag 2021, 11:30 H-Bridge Drive BTS7960 - Twins Chip.jpg
Perché al driver hai collegato un segnale PWM degli ENABLE? (R_ENable e L_ENable) sicuro che il problema da te riscontrato non nasca proprio da questa configurazione? a mio avviso ai pin L_EN e R_EN va posto un segnale digitale alto o basso non un PWM
andrea78
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Re: Protezione da sovratensione

Messaggio da andrea78 »

Gli enable sono sempre attivi, sono collegati direttamente a 5V.
Mettendo insieme un po' di riflessioni ed osservazioni vostre, il problema nasce nel momento che il motore non opera come motore, ma di fatto come generatore. La tensione che genera, attraverso i diodi di protezione torna indietro sull'alimentazione.
Se qualcuno fosse curioso di sapere cos'è l'oggetto misterioso, è questo:
https://www.youtube.com/watch?v=v7A_fFHfN_c
https://www.youtube.com/watch?v=_VOYVA9l1DY
https://www.youtube.com/watch?v=hny6wNhY1uU
Per la gioia dei figli (e del papà, un po' meno della mamma...)
Di fatto, tranne il problema sull'alimentazione, per il resto il mio è stato solo assemblaggio di un progetto sviluppato da altri.
Il motore usato è questo, trovato a 40€:
https://www.ud-ricambi.it/motore-36V-80 ... 13579.html
Lo faccio lavorare a circa 6V, il mimimo per la scheda PWM usata, anzichè 36V nominali. Sopporta correnti di quasi 30A quindi a 6V con un buon alimentatore (nel mio caso ho usato un vecchio alimentatore per PC, modificato, e sulla linea 5V eroga fino a 35A), sviluppa tanta coppia senza bisogno di riduttori, che introdurebbero un fastidioso gioco meccanico (sperimentato con motori più piccoli che già avevo, prima di acquistare questo). La potenza del motore, la sezione delle spire, la dimensione delle spazzole, sono tali che a 6V non soffre assolutamente ad essere frenato, a lavorare da fermo.
Il problema si presentava in momenti impredicibili, durante il gioco, una sconnessione della strada, un urto e capitava che si spegneva. All'inizio davo la colpa alla protezione per sovraccorrente, Poi sono riuscito a riprodurlo in modo sistematico. Bastava girare tutto da una parte, massimo sforzo e lasciare di colpo. Parte la rotazione veloce per riallinearsi, supera il centro, poi inverte, qualche oscillazione e si ferma dritto. Prima di risolvere con quel circuito con condensatore e MOS, in questa condizione si spegneva. Avendo trovato una condizione riproducibile, ho potuto collegare l'oscilloscopio sul circuito di protezione, provare più volte ed andare a cercare la causa, fino a che ho scoperto l'innalzamento di tensione.
Dino
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Re: Protezione da sovratensione

Messaggio da Dino »

Bel lavoro, complimenti per il lavoro che hai fatto per scoprire il problema!
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