Simple Over current Protection for DC motor and Power drive

บทความนี้นำเสนอการป้องกันกระแสเกิน (Over current Protection) ให้กับมอเตอร์กระแสตรง (DC motor) และชุดขับกำลัง (Power Stage Drive) เบื้องต้น ทั้งนี้เป็นการนำวงจรมาจากวิดีโอยูทูบ (https://www.youtube.com/watch?v=8SoETcGpJ9I) ที่เคยลงในช่องแล้วมาอธิบายเพิ่มเติม เพื่อให้มีรายละเอียดในส่วนของการป้องกันกระแสเกิน และเนื้อหาเป็นประโยชน์เพิ่มขึ้น โดยทดสอบการควบคุมความเร็วมอเตอร์ปัดน้ำฝนที่ใช้กระแสสูง วงจรขับกำลังใช้ออปโตคัปเปิล (TLP250) เพาเวอร์มอสเฟต (STP105N3LL) สำหรับทดสอบการป้องกันกระแสเกิน

รูปที่ 1 วงจรที่ใช้ในการทดลองขับมอเตอร์และป้องกันกระแสเกิน โดยใช้มีอุปกรณ์ที่จะปรับค่าเล็กน้อย ที่ตำแหน่งตัวเก็บประจุเดิมใช้ค่า 0.1uF/63V (ในวงกลมสีส้ม) เป็นค่า 2.2nF/63V ซึ่งส่วนของการป้องกันกระแสจะใช้ตัวต้านทาน 0.22R/5W ทำหน้าที่ตรวจจับกระแส โดยเมื่อมีกระแสไหลผ่านมากกว่า 3A นั้น ก็จะเป็นผลให้เกิดแรงดันตกคร่อมประมาณ 0.7V และค่าแรงดันนี้จะไหลผ่านตัวต้านทาน 1k ไปยังขา B ของทรานซิสเตอร์ 2N4401 นำกระแส ซึ่งการนำกระแสนี้จะทำให้สัญญาณพัลซ์วิดที่ขาเกต (G) ของตัวมอสเฟตถูกดึงลงกราวด์นั้นเอง

รูปที่ 3 ลักษณะของบอร์ดขับดีซีมอเตอร์และป้องกันกระแสเกินแบบง่าย ใช้อุปกรณ์ไม่มากนัก โดยส่วนหนึ่งต้องการให้การขับมอเตอร์ การป้องกันกระแสเกินแยกส่วนออกจากการสร้างสัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลตในการปรับความเร็วเป็นอีกส่วนหนึ่ง

รูปที่ 4 แสดงลักษณะการทดลองและเครื่องมือที่ใช้ เพื่อให้เราสังเกตลักษณะของการป้องกันกระแสเกินได้ชัดเจนขึ้นโดยเฉพาะออสซิลโลสโคป

รูปที่ 5 แสดงลักษณะของสัญญาณเมื่อขับดีซีมอเตอร์เป็นปกติ โดยสัญญาณที่ CH1 (สัญญาณข้างบน) จะเป็นสัญญาณขับที่ขา G ให้กับตัวเพาเวอร์มอสเฟต ในส่วน CH2 จะเป็นสัญญาณที่แรงดันที่ตกคร่อมตัวต้านทาน 0.22R

รูปที่ 6 จะแสดงค่าแรงดันและกระแสของแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงให้กับมอเตอร์ในสภาวะปกติ ซึ่งจะมีค่าแรงดันที่ 13.8V และกระแสประมาณ 1A และเป็นการทำงานต่อเนื่อง

รูปที่ 7 เป็นลักษณะของสัญญาณที่เกิดขึ้นเมื่อกระแสสูงเกินกำหนด (กำหนดไว้ที่ประมาณ 3A) ด้วยการทดลองซ๊อตเซอร์กิตที่ตัวมอเตอร์ ซึ่งจากในรูปสัญญาณ CH1 เราจะเห็นว่ามีการปรับขนาดให้ลดลงทันที ซึ่งทำให้เพาเวอร์มอสเฟตทำงานลดลงด้วย โดยในช่วงเวลานี้รูปสัญญาณกระแส CH2 จะมีปริมาณที่สูงขึ้น

รูปที่ 8 แสดงการป้องกันกระแสเกิน ของแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงจากสภาวะโหลดซ๊อตเซอร์กิต ซึ่งจากในรูปจะเห็นว่าค่าแรงดันจะยังคงที่ แต่ปริมาณกระแสจะอยู่ที่ 3A และเมื่อปลดการซ๊อตเซอร์กิตที่ตัวมอเตอร์ออกวงจรก็จะสามารถใช้งานได้เป็นปกติอีกครั้ง โดยการซ๊อตเซอร์กิตเราสามารถคงไว้ได้ถึง 5 วินาที ซึ่งพอสำหรับให้ส่วนของวงจรอื่นเข้ามาตรวจจับความผิดปกติที่เกิดขึ้นได้

Information

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Current_limiting
2. https://electronics.stackexchange.com/questions/322522/high-voltage-pwm-motor-controller-mosfets-explode
3. http://playwithrobots.com/dc-motor-driver-circuits/
4. https://core-electronics.com.au/tutorials/motor-drivers-vs-motor-controllers.html
5. https://www.homemade-circuits.com/dc-motor-protector-circuit-over-voltage/
6. https://www.allaboutcircuits.com/worksheets/protective-relay-circuits/
7. https://training.ti.com/sites/default/files/docs/Webinar_Over_Current_Sensing_Techniques.pdf
8. https://www.eaton.com/content/dam/eaton/support/austria/downloads/Handbuch_Fuseology_Overcurrent_protection.pdf