Fast alles hat einen kleinen Elektromotor, was wir für unsere täglichen Aktivitäten nutzen: für das Mahlen des Kaffees, die Luftzirkulation in Wohnungen oder Büros, den Antrieb der Kinderspielzeuge oder die automatische Reinigung der Böden.
Je nach Motor benötigen Sie geeignete Motorsteuerungstreiber (MCDs), um den Motor ein- und auszuschalten, die Drehzahl und das Drehmoment zu regeln, und eine hohe Effizienz und Zuverlässigkeit zu erzielen.
Abhängig von den Designanforderungen und Kostenaspekten entscheiden Sie sich bei einer Konstruktion mit geringer Leistungsaufnahme meist für einen von drei Motortypen.
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DC-Motoren mit Bürsten (BDC)
Bürstenlose DC-Motoren (BLDC)
Schrittmotoren
DC-Motoren mit Bürsten (BDC)
DC-Motoren mit Bürsten stellen den einfachsten der drei Motortypen dar, und wir kennen ihn alle aus der Schule. Da sich Wicklungen am Rotor oder Anker und Permanentmagneten oder Feldwicklungen am Stator befinden, benötigen diese Motoren Gleichrichter und Bürsten, um die Polarität der Wicklung während der Drehung zu ändern, damit sich ein kontinuierlicher Drehmoment in eine Richtung entwickeln kann. Da diese Motoren relativ einfach herzustellen und zu steuern sind, sind sie im Allgemeinen günstiger. Neben der Nutzung in Spielzeugen und anderen kostensensiblen Anwendungen werden sie auch in Haushaltsgeräten wie elektrischen Jalousien und Schlössern verwendet.
Die Regelung von BDCs ist relativ einfach – bei einer Änderung der durchschnittlichen Motorspannung ändert sich auch die Drehzahl – und kann über eine H-Brücke und einen Mikrocontroller erfolgen; die Auswahl der Treiber-ICs muss jedoch sorgfältig überdacht werden.
Dies wird durch den breiten Betriebsspannungsbereich des TB67H450FNG,EL von Toshiba vereinfacht. Die Betriebsspannung reicht von 4,5 V bis 44 V für größere Geräte (weniger als 3,5 A) wie Büro-Automatisierungsgeräte, Geldautomaten, Haushaltsgeräte einschließlich akkubetriebener Produkte wie Staubsaugerroboter, elektronische Schlösser, kleine Roboter und Geräte mit 5 V-USB-Spannungsversorgung. Der Treiber zieht im Standby-Modus nur 1 μA und ist im kompakten, oberflächenmontierten 8-Pin HSOP8-Paket erhältlich.
Sehen Sie sich unser Video zum TB67H450FNG an.
Wenn Sie eine niedrigere Betriebsspannung und einen höheren Strom wünschen, können Sie den TC78H653FTG,EL verwenden. Dieser Dual-H-Brücken-Treiber-IC bietet einen Betriebsspannungsbereich von 1,8 V bis 7,5 V und zwei Strommodi – einen Kleinstrommodus mit einer 2,5 A DC Spitze mit zwei Kanälen und einen Großstrommodus mit 5,0 A DC Spitze mit einem kombinierten Kanal. Durch den geringen Einschaltwiderstand fließt mehr Strom durch den Motor, was ein höheres Drehmoment ermöglicht. Wenn Ihr Projekt tragbare Geräte mit 3,6 V Lithium-Ionen-Akkus oder Haushaltsgeräte wie Gasstellgeräte, intelligente Stromzähler, elektronische Schlösser oder andere Anwendungen mit zwei 1,5 V Trockenbatterien umfasst, eignen sich die Eigenschaften dieses Treibers hervorragend für diese Anwendungsart.
Wenn ein BDC-Treiber mit zwei Kanälen für eine Betriebsspannung von bis 16 V benötigt wird, empfiehlt sich der neue Motortreiber-IC TC78H660FTG mit H-Brücke. Der IC basiert auf der neuesten Generation an DMOS-Prozesstechnologie des Unternehmens und kann einen PWM-gesteuerten Strom von 2 A (Maximum) liefern. Er unterstützt einen energieeffizienten Betrieb und hat mit 0,1 µA einen äußerst niedrigen Strombedarf im Standby-Modus. Dieser IC beansprucht in einem kompakten QFN16-Gehäuse von 3 mm x 3 mm nur minimal Platz auf der Leiterplatte. TC78H660FNG ist eine Variante desselben Treiber-IC in einem TSSOP16-Gehäuse.
Toshiba bietet weitere Geräte für BDC-Motoren an; einige dieser Geräte sind mit gebräuchlichen Bürstenmotortreibern pin-kompatibel, sodass Ingenieure Teile mit nur minimaler oder keiner Änderung des Designs austauschen können, um andere Marktanforderungen zu erfüllen.
Weitere Treiberprodukte für DC-Motoren mit Bürsten
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Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC)
BLDC-Motoren sind mechanisch einfacher als Bürstenmotoren. Üblicherweise befinden sich die Permanentmagneten auf dem Rotor, die Wicklungen auf dem Stator. Bei BLDCs entfällt die laute, funkenschlagende, Drehmoment-begrenzende mechanische Kommutierung, und höhere Drehzahlen und Drehmomente sind möglich. Hier ist jedoch eine präzise Steuerung erforderlich, um die höhere Effizienz zu erzielen, die bei Anwendungen von kleinen Lüftern bis hin zu Servo-Mechanismen in Industrieanlagen möglich ist.
Eine Regelung der Polarität, der Stärke des durch die Spulen fließenden Stroms und dessen Synchronisierung mit dem Rotor lässt sich durch Messung der Magnetposition mit Halleffektgebern oder, bei sensorlosen BLDCs, durch Erfassung des Nulldurchgangs der gegenelektromotorischen Kraft (Gegen-EMF) erzielen, wobei diese Daten zurück an die Motortreiber geleitet werden. Es sind jedoch wiederholte Justierungen der Phasenunterschiede zwischen Motorspannung und Motorstrom im Drehzahlbereich erforderlich, um optimale Effizienzeigenschaften zu erreichen. Aufgrund von Induktanz bei hohen Frequenzen besteht jedoch eine Tendenz zu Stromverzögerungen bei Motoren mit hoher Drehzahl.
Die firmeneigene InPAC-Technologie (Intelligent Phase Control) von Toshiba gestaltet die BLDC-Motorsteuerung einfacher und präziser. Sie vergleicht die Phase des Motorstroms mit der Phase der Motorspannung vom Hall-Signal und leitet das Ergebnis an die Motorstrom-Steuerung weiter. Die Anpassung der Phasenunterschiede zwischen Motorspannung und Motorstrom lässt sich durch eine einfache Anfangseinstellung automatisch über ein breites Spektrum an Motordrehzahlen hinweg erreichen. Dies reduziert den Entwicklungsaufwand im Designprozess erheblich.
Toshiba bietet vier neue dreiphasige BLDC-Motorsteuerungen an, die diese Technologie verwenden: Die Steuerungsteile TC78B041FNG,EL in einem SSOP30-Gehäuse, den TC78B042FTG in einem VQFN32-Gehäuse, den vollständig integrierten Treiber TC78B025FTG und die Steuerung mit integriertem Gate-Treiber TC78B027FTG. Die Motorsteuerungsgeräte verwenden ein Sinuswellen-Treibersystem und erzielen so eine glatte Strom-Wellenform, um Geräusche und Vibration bei Motoren mit hoher Drehzahl bei Anwendungen wie Gebläsen, Luftreinigern, Pumpen und Industrieanlagen zu reduzieren.
TC78B025FTG und TC78B027FTG verfügen zudem über eine Funktion zur Drehzahlregelung, mit der die Motordrehzahl bei dynamischen Stromschwankungen und Lastabweichungen reguliert und beibehalten wird. Diese wertvolle Funktion eignet sich für entscheidende Anwendungen wie Serverlüfter oder andere Kühlanwendungen. Die präzise Einstellung eines Geschwindigkeitsprofils erfolgt über einen integrierten nicht flüchtigen Speicher (NVM). Ein externer Mikrocontroller zur Drehzahlregelung ist somit nicht mehr erforderlich.
Toshiba bietet zudem Motorsteuerungsgeräte für einen sensorlosen Betrieb an, wenn Ihr Projekt sensorlose BLDCs zur Reduzierung der Motorkosten erlaubt. Bei dem TC78B009FTG handelt es sich um einen dreiphasigen Pulsbreitenmodulation-Choppertreiber (PWM), der die Motordrehzahl über Änderung des PWM-Lastzyklus regelt. Mit einer maximalen Stromversorgung von 30 V bietet das Gerät eine überlappende Kommutierung bei 120°, 135° und 142,5°, auswählbares weiches Schalten, anpassbare Starteinstellungen, Überstromschutz, thermische Überlastsicherung und Unterspannungsabschaltung. Mit dem integrierten Gate-Treiber-Teil bietet der TC78B009FTG Konstrukteuren die erforderliche Flexibilität, um angemessene Power-Stage-MOSFETs für Anwendungen auszulegen. TC78B009FTG enthält außerdem eine integrierte Motorstromüberwachung, durch die der Mikrocontroller in Echtzeit Anpassungen vornehmen kann. Darüber hinaus enthält die Motorsteuerung eine Funktion zur Drehzahlregelung mit einem integrierten nicht flüchtigen Speicher (NVM), sodass der Betrieb ohne externen Mikrocontroller möglich ist.
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Schrittmotoren
Beim dritten Motortyp handelt es sich um den Schrittmotor. Er wird bei Konstruktionen verwendet, die präzise Drehbewegungen erfordern, wie Desktopdrucker, 3D-Drucker, Sicherheitskameras, Kameraobjektive, medizinische Scanner, intelligente Beleuchtung und CNC-Fräsmaschinen.
Schrittmotoren lassen sich durch Regelung der Impulsbreite, des Lastzyklus oder der Periode der Eingangsimpulse steuern. Die Herausforderung bei der Schrittmotor-Regelung liegt in der Vermeidung eines Absterbens, da Motoren oder Elektronik durchbrennen können. Geht während einer Überlast oder bei einer schnellen Drehzahländerung die Synchronisierung verloren, stirbt der Motor ab, während der Treiber weiterhin mit voller Kraft leitet. Daher müssen Sie genügend Stromreserve bereitstellen, um plötzliche starke Drehmoment-Änderungen zu verhindern. Der Kompromiss hierbei ist jedoch eine geringere Effizienz und gesteigerte Wärmeerzeugung.
Der zusätzliche Strom kann reduziert werden, um diesen Kompromiss zu vermeiden. Hierzu kann eine Stromanpassung über Echtzeit-Überwachung des Drehmoments und Strom-Feedback über zusätzliche Sensoren und Mikrocontroller genutzt werden; dies steigert jedoch Komplexität und Kosten.
Die aktive Verstärkungssteuerung (Active Gain Control, AGC) von Toshiba begegnet diesem Problem durch eine automatische Optimierung des Motorstroms je nach erforderlichem Drehmoment. Dies verhindert ein Absterben des Motors und bietet optimale Kontrolle, um höchste Effizienz und geringste Wärmeerzeugung zu ermöglichen.
Im Video erfahren Sie mehr über AGC.
Toshibas Teil TB67S128FTG,EL ist ein bipolarer Schrittmotor-Treiber, der statt 32 herkömmlichen Schritten eine Steuerung mit 128 extrem glatten Mikroschritten (pro Viertelzyklus) bietet und die AGC-Technologie nutzt. Die Nennleistung von 50 V/5 A bietet eine leistungsstarke Steuerung für diverse Anwendungen, darunter 3D-Drucker, Überwachungskameras, Geldautomaten und Ausrüstung zur Büroautomation.
Zudem verwendet der TB67S128FTG die ADMD-Technologie (Advanced Dynamic Mixed Decay) von Toshiba, die den induktiven Motorstrom effektiver und schneller entlädt als eine herkömmliche kombinierte Absenkung. ADMD kann einen üblicherweise langsamen Schrittmotor an seine Grenzen bringen, ohne Schritte zu verpassen. Das Teil nutzt zudem die ACDS-Technologie (Advanced Current Detect System) von Toshiba, um die Strombegrenzung ohne externe Strommesswiderstände zu erfassen, was wiederum den Platzbedarf, die Teileanzahl und die Stücklisten-Kosten reduziert.
Für Anwendungen mit zwei 1,5-V-Trockenbatterien oder einem 3,6-V-Lithium-Ionen-Akku, die eine niedrigere Betriebsspannung verlangen, ist der TC78H670FTG die ideale Lösung. Er lässt sich im Bereich von 2,5 V bis 16 V betreiben und ist für bis zu 2 A (Spitze) geeignet. Er verfügt über ACDS-Technologie (Advanced Current Detect System) von Toshiba und spart mit seinem kompakten QFN-Gehäuse von 3 mm x 3 mm nicht nur Platz auf der Platine, sondern auch Kosten. Seine Gehäusegröße wurde im Vergleich zur vorherigen Generation um 44 % reduziert. Dank seines äußerst geringen Stromverbrauchs im Standby-Modus von nur 0,1 µA eignet er sich hervorragend für Anwendungen mit eingeschränktem Platz und Batteriebetrieb, wie Belegdrucker.
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