Schemat włącznika silnika DC 24V na MOSFET logic-level, dioda flyback, IRLZ44N, zabezpieczenia

Pytanie

prosty schemat wlacznika silnika dc 24v na mosfecie

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Najprostszy, pewny „włącznik” silnika DC 24 V buduje się jako przełącznik low‑side na tranzystorze N‑MOSFET logic‑level, z diodą flyback równolegle do silnika, rezystorem w bramce i rezystorem pull‑down do masy.
• Kluczowe punkty:
  • MOSFET: N‑kanał, VDS ≥ 60 V (lepiej 80–100 V dla zapasu), logic‑level (niskie RDS(on) przy VGS = 4,5–5 V).
  • Dioda: szybka/Schottky, VRRM ≥ 60–100 V, IF ≥ prąd roboczy silnika.
  • Rg (bramka): 33–150 Ω; Rpd (pull‑down): 10 kΩ.
  • Bezpiecznik w linii +24 V; opcjonalny TVS 33–36 V na szynie 24 V.

„Goły” schemat (low‑side, sterowanie z logiki 3,3/5 V)

      +24 V ──[FUSE]───+─────────────+
                       |             |
                      [M]  SILNIK    |
                       |             |
                      D|             |
                 N‑MOSFET            |
                      S|             |
                       └───────┬─────+
                               |
                              GND
Bramka MOSFET:
MCU 3,3/5 V ──[Rg 100 Ω]── Gate
Gate ──[Rpd 10 kΩ]── GND
Dioda flyback: katoda do +24 V, anoda do węzła D (silnik/MOSFET)
TVS (opc.): równolegle do +24 V–GND

Szczegółowa analiza problemu

• Dlaczego low‑side N‑MOSFET:
  • Najprostsze sterowanie (bramka odniesiona do GND), brak potrzeby drivera high‑side.
  • Mniejsze RDS(on) niż P‑MOSFET przy porównywalnych kosztach.
• Elementy i dobór:
  • MOSFET: VDS ≥ 60 V (dla 24 V to rozsądne minimum; 80–100 V daje lepszy margines na przepięcia). Wybieraj typy „logic‑level” z katalogowym RDS(on) podanym przy VGS = 4,5–5 V. Unikaj IRF‑… (np. IRF520/540) gdy sterujesz z 3,3–5 V – to MOSFET‑y „10‑V gate”. Popularne i łatwo dostępne: IRLZ44N (55 V – do prostych aplikacji bez ostrych przepięć), lepiej nowocześniejsze 60–100 V o niskim RDS(on) (dowolny z serii „logic‑level” producentów Infineon/ON/ST).
  • Dioda flyback: dla samego włącz/wyłącz może być 1N5408/UF5408, ale do PWM stosuj szybkie/Schottky 10 A, 60–100 V (np. STPS10H100‑klasa). Zawsze katoda do +24 V, anoda do końca silnika/MOSFET‑a.
  • Rg 33–150 Ω ogranicza prąd ładowania pojemności bramki i tłumi oscylacje prowadzeń.
  • Rpd 10 kΩ gwarantuje pewne wyłączenie przy stanie Hi‑Z.
  • Zabezpieczenia zasilania: bezpiecznik (zwłoczny) w +24 V; TVS 33–36 V (SMBJ/SMCJ) na szynie 24 V względem GND; przy długich przewodach pomocny snubber RC 100 Ω + 100 nF (X7R ≥ 50 V) równolegle do silnika.
• Straty i chłodzenie:
  • Strata przewodzenia: Pcond ≈ I² · RDS(on). Przykład: I = 5 A, RDS(on) = 10 mΩ → 0,25 W (ciągła). Zapewnij zapas na prąd rozruchowy/stall (zwykle 5–8× In). Jeśli chwilowe: radiator zwykle niepotrzebny; przy większych prądach/ciągłym PWM – rozważ radiator i solidną miedź na PCB.
  • Straty przełączania przy PWM: Psw ≈ 0,5 · V · I · (tr+tf) · fPWM. Dla prostego „włącznika” bez PWM – pomijalne.
• Integracja z logiką 3,3 V:
  • Wybierz MOSFET z gwarantowanym niskim RDS(on) przy VGS = 2,5–3,3 V lub użyj małego drivera bramki (np. TC44xx‑klasa) zasilanego 10–12 V.

Aktualne informacje i trendy

• Praktyką jest stosowanie MOSFET‑ów 60–100 V „logic‑level” o bardzo niskim ładunku bramki (Qg) i RDS(on) rzędu pojedynczych miliomów – poprawia to sprawność i obniża nagrzewanie.
• W aplikacjach 24 V przemysł/pojazdy coraz częściej używa się „smart low‑/high‑side switches” (zintegrowane zabezpieczenia: nadprąd, zwarcie do masy/akumulatora, termiczne), ale dla najprostszego włącznika klasyczny MOSFET + dioda pozostaje najtańszym rozwiązaniem.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Dlaczego „flyback”: energia z indukcyjności silnika E = ½·L·I² musi znaleźć drogę po wyłączeniu tranzystora; dioda zamyka pętlę prądu i ogranicza przepięcie na drenie.
• EMI: silnik szczotkowy generuje zakłócenia; pomocne są: kondensator 100 nF bezpośrednio na szczotkach oraz dwa 10–22 nF do obudowy/chassis, krótkie przewody mocy, jedna gwiazda masy.
• Layout: krótkie i szerokie ścieżki prądowe, wspólny punkt masy przy źródle MOSFET; prowadzenie bramki z dala od pętli mocy.

Aspekty etyczne i prawne

• Bezpieczeństwo: zawsze stosuj bezpiecznik dobrany do przewodów i prądu; zabezpiecz przed odwrotną polaryzacją (np. dioda/transil lub MOSFET back‑to‑back) jeśli istnieje ryzyko błędnego podłączenia.
• Pomiar prądu (jeśli wymagany): bocznik i izolacja galwaniczna zgodne z normami dla systemów 24 V DC w środowisku przemysłowym.

Praktyczne wskazówki

• Procedura uruchomienia:
  1. Zmierz prąd rozruchowy/stall silnika (chwilowo, z zasilacza o odpowiednim ograniczeniu).
  2. Dobierz MOSFET z Id ciągłym ≥ 1,5–2× prąd pracy i SOA wystarczającym na rozruch.
  3. Zastosuj diodę szybka/Schottky IF ≥ In, VRRM ≥ 60–100 V.
  4. Sprawdź temperaturę MOSFET przy najgorszym obciążeniu; jeśli ΔT > 40–50°C – dodaj radiator/większą miedź.
• Jeżeli chcesz sterować mechanicznie (bez logiki): prosta wersja z przełącznikiem i ograniczeniem VGS

  +24 V ──[S1]──[10 kΩ]── Gate
  Gate ──|<|── Source   (dioda Zener 12 V – katoda do Gate)
  Gate ──[100 kΩ]── GND
  Reszta układu jak w schemacie głównym

  Zamknięcie S1 podciąga bramkę przez 10 kΩ do +24 V, Zener ogranicza VGS ≈ 12 V (bezpiecznie), 100 kΩ wyłącza MOSFET po otwarciu S1.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• IRLZ44N (55 V) bywa używany, ale przy „twardych” 24 V (długie przewody, przekaźniki, środowisko automotive) zalecam VDS ≥ 60–80 V i TVS na szynie – 55 V ma mały margines.
• Diod 1N400x nie stosuj przy PWM – są zbyt wolne; do samego on/off mogą działać, lecz lepiej od razu użyć szybkiej/Schottky.

Sugestie dalszych badań

• Sprawdzenie SOA wybranego MOSFET dla impulsu rozruchowego (czas rozruchu Twojego silnika).
• Pomiary oscyloskopem napięcia na drenie przy wyłączeniu – weryfikacja doboru diody/TVS i ewentualnego snubbera.
• Jeśli planujesz regulację prędkości: dobór częstotliwości PWM (zwykle 16–25 kHz dla pracy cichej) i drivera bramki.

Krótkie podsumowanie

• Dla 24 V DC najprostszy i sprawdzony włącznik to low‑side N‑MOSFET logic‑level z diodą flyback, Rg ≈ 100 Ω, Rpd ≈ 10 kΩ, bezpiecznikiem i (opcjonalnie) TVS na szynie 24 V.
• Wybierz MOSFET 60–100 V z niskim RDS(on) przy 4,5–5 V, diodę szybką/Schottky o odpowiednim prądzie i zadbaj o krótki, solidny tor prądowy.
• W razie chęci – pomogę dobrać konkretne elementy po podaniu prądu roboczego i prądu rozruchowego silnika, sposobu sterowania (3,3/5 V, PWM) oraz rodzaju zasilania.