Mosfet em ponte H - Eletrônica - Clube do Hardware
Mosfet em ponte H
Por Lucas Schiavolin Cruz, 5 de agosto em Eletrônica
Lucas Schiavolin Cruz 0
Estou precisando criar uma ponte H para acionar um Motor DC de 24V, Potencia: 750 W , In= 35 A, 3250 rpm, como consigo calcular o MOSFET apropriado para esse acionamento ?
Detalhe: vou usar duas baterias de carro para acionamento 12 V e 60 A/h (cada uma) e um Arduino para PWM.
Precisa mesmo ser ponte H por semicondutor? Lembre-se de que pode tb fazer a inversão de polaridade com uso de contator e com um único mosfet realizar o PWM de velocidade. Para fazer a escolha entre os 2 métodos as pergunta são:
- o tempo do acionamento dos contatores (100ms) vai atrapalhar minhas intenções?
- pretende fazer inversões de velocidade rápidas?
Motores em ponte H tem o efeito de dobrar a tensão durante o processo. 2 baterias de 12V nominais carregadas em série resultam em 25V, Vai precisar de mosfet >50V para fazer a ponte H. Nessa corrente, quanto menor for o Rds_on melhor. Se baixos Rds são conseguidos a custa de um maior tempo de chaveamento, o fato de motores utilizarem baixa frequência vai facilitar a seleção.
Esse transistor resolve bem seu problema: IRF3205
https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/68131/IRF/IRF3205.html
Vai precisar de um driver dual-side dos bons, esse tipo de transistor dá uns bons picos de corrente no gate.
Numa ponte H e com o motor exigindo os 35A vai ter 2 x 10W de calor na ponte.
4 horas atrás, Lucas Schiavolin Cruz disse:
Vai girar num sentido só ou nos fois sentidos?
Os 4 diodos de proteção que integram a ponte H podem ser selecionados pela corrente de pico repetitivo, não há a necessidade de se utilizar a nominal.
Qual a corrente de rotor travado deste motor?
Vai estar em algum momento com rotor travado?
Se for ficar, precisará elaborar um tipo de protecção contra curto-circuito para os mosfets
Ou então se a corrente de rotor bloqueado não for muito alta, poderá exagerar em mosfets.
Seu comentário me fez lembrar dos conversores DC para motores grandes por tiristor. O pico de corrente era limitado em 150% por alguns segundos, e tudo isso na era do analógico. O FB de corrente era feito por TC, shunt em motores grandes é complicado.
Lucas Schiavolin Cruz
Sim precisa pois é um projeto estudar.
Nao não atrapalhar.
o que seria driver dual-side ?
Outra duvida esse mosfet IRF3205, a potencia do mosfet será P=Rds*I²; P=0.008*(36²)= 10,368W
na data datasheet diz que a Potenciamaxima é de 200W, porém em temperatura 25ºC se passa dessa temperatura corre disco queimar o MOSFET ?
Na minha ponte H iria precisa de 2 MOSFET tipo N e dois tipo P, para conectar o motor sempre no coletor do MOSFET podendo assim chegar a tensão de 24V no motor sem perda, você teria algum MOSFET para me indicar do tipo P ?
Numa ponte H e com o motor exigindo os 35A vai ter 2 x 10W de calor na ponte, não entendi essa parte.
OBS: é meu primeiro projeto eletronica, tenho bastante duvidas haha, obrigado pela paciência.
9 horas atrás, Lucas Schiavolin Cruz disse:
Essa potência aí de 200 watts quase não se aplica. Esta seria a potência dissipada para caso o mosfet tivesse trabalhando em modo linear. Tipo um transistor do tipo BJT...
Mas se você acionar ele em pulsos ON/OFF com driver que garanta pelo menos carregar a capacitância do gate com pico de mais de 1 ampere, um só mosfet destes é capaz de drenar a potência de mais de 700 watts em 24V dissipando em calor em seu invólucro menos de 30 watts.
Mas motor tem corrente de pico de partida e costuma ser de 10 vezes o nominal.
Por isso um só mosfet por braço não iria conseguir atender.
Se fosse carga resistiva de 750 watts em 24V, um só mosfet destes por braço atenderia tranquilamente.
10W em cada um dos transistores acionados, simples assim.
25ºC é a temperatura padrão para análise em eletrônica. Aparece em todos os datasheets, já vai se acostumando. Se fizer as contas, vai encontrar uma corrente de 160A para se ter esses 200W com o transistor em saturação. É muita corrente e nem só de temperatura é feita a ruptura de um semicondutor. São situações limites que o semicondutor conseguirá suportar por intervalos muito curtos e com muito espaçamento entre os eventos.
Alberto, esse conceito costuma ser aplicado em motores AC por conta da magnetização das bobinas, algo em torno de 100ms. Nas máquinas DC o conceito muda e não é pouco. Isso nos leva a uma discussão interessante: discute-se muito técnicas de controle sem se discutir o que será controlado. Um motor DC tipo shunt possui uma resistência interna baixa quando entramos em potências mais elevadas. No instante inicial com a máquina ainda parada uma partida direta é bem suportada em máquinas pequenas tais como os limpadores de parabrisa automotivos. Ali se tem uma resistência interna elevada que nos dá uma limitação natural de corrente. Para tais aplicações onde o baixo custo, simplicidade e garantia de bom funcionamento (robustez) são essenciais (no exemplo acima é um item de segurança) projetar uma armadura com resistência propositalmente alta é um caminho aceitável. Nas máquinas de uso geral busca-se naturalmente uma baixa resistência de armadura. 750W não é pouco. Nessa faixa de potência nunca trabalhei mas posso te garantir que nas máquinas em que trabalhei (20kW a 450kW) fazer um acionamento sem monitoramento de corrente é suicídio.
@Lucas Schiavolin Cruz , procure saber qual é a resistência da armadura desse seu motor. No catálogo ela pode aparecer como resistência interna. A possibilidade de que venha a ter que implantar um controle de corrente no seu projeto não é pequena. Com um monitoramento de corrente poderá até controlar a velocidade através da tensão com compensação de RI e precisão <1%.
56 minutos atrás, Sérgio Lembo disse:
Utilizei um motor de carinho de golf segue em anexo as informações que encontrei nele. infelizmente não encontrei a resistência interna.
Teria um exemplo de uma ponte H, utilizando o mosfet IRF3205 ?
Estou em duvida se precisarei utilizar um mosfet de canal P tambem na ponte H
http://www.stoomgroep.be/images/modelbouw/BOSCH-0130302014.pdf
@Lucas Schiavolin Cruz , com uma fonte de tensão (que não precisa ser de 24V, uma resistência de valor conhecido que limite a corrente a um valor suportável pela fonte, basta colocar esses elementos em série, travar o motor e medir as tensões. Com contas simples deduz-se o valor dessa resistência interna. Com esse valor determinado, passa a ter a percepção de corrente numa situação de partida direta e um correto dimensionamento do seu conversor. Seu conversor não necessitará necessariamente de fornecer essa corrente máxima se alguns procedimentos forem adotados simultaneamente ou isoladamente:
- monitoramento e limitação de corrente.
- imposição de rampa de aceleração que pelo desenho do conjugado nos garanta baixos picos de partida.
Muita obrigados amigos, me ajudaram e muito.
Iria precisar o projeto vou usar apenas um MOSFET, para controlar o MOTOR e não mais uma ponte H,iria criar uma proteção contra a corrente do motor.
Se tiverem algum sugestão, será bem-vinda.
Agradeço muito pelas dicas
35A de corrente não é pouca coisa. Prevendo uma tolerância de pico de corrente momentâneo durante a partida será necessário um shunt de 50A x 60mV ou um transformador de corrente na entrada da fonte de 24V. O controle disso tem que ser muito rápido, vai precisar de comparador, periférico inexistente no Arduino. Isso te levará a procura de um módulo da ST, por exemplo, que disponha de tal periférico. Bem vindo ao mundo DSP (digital signal processor). Creio que um módulo de 32 bits acabará sendo a solução. A parte de potência eu até dou conta, mas na do DSP ainda sou noviço. Se o @aphawk entrar nesse tópico vai ter uma boa orientação.
Bom... não tenho muita experiência em controle de motor que não seja usando uma dessas pontes H prontinhas ....
Mas sei que o Arduíno tem sim o módulo comparador, pois é baseado em um Atmega.
Dei uma lida rapida no tópico, e pela decisão de usar apenas um Mosfet em vez da ponte H, creio que agora o motor vai girar em apenas uma direção, é isso mesmo ?
Se decidirem usar a ponte H, este link tem tudo o que é necessário, inclusive ensina os cálculos para fazer o Driver :
Já se a ideia é usar apenas um
Mosfet, eu usaria dois em paralelo para garantir, e faria o controle por PWM, não vejo o porque de se usar algum cálculo maluco ou usar o comparador.
Mas eu não faria nada disso ... compraria esta pequena maravilha e resolvia meus problemas :
https://produto.mercadolivre.com.br/MLB-1012841966-modulo-driver-ponte-h-43a-bts7960-_JM
estou muito velho prá ficar queimando neurônios por pouca coisa ....
@aphawk , a ponte H será feita por 2 contatores reversíveis e o mosfet chaveará o negativo da ponte. 1 diodo em anti-paralelo à ponte fará a proteção freewhell.
Falando sobre o DSP, numa olhada rápida não vi o comparador no arduino, mas talvez tenha consultado o modelo errado, sei lá.
A pergunta: com 1HP de potência, não teremos uma resistência de armadura muito baixa para trabalhar sem monitoramento de corrente? São 840W de energia para se ter 1HP de força (n=89% no modelo).
Complementando o comentário, poderemos chegar fácil a 1200W de energia se aceitarmos um pico de 150% durante aceleração.
Bom, eu assumo que quem faz o CI para essa ponte H já levou em conta esses cálculos todos. A escolha dos Mosfets deve ter levado isso em conta também. Se especificam 43A nominal, devem suportar fácil 30A nominal. E se é uma ponte H, deve ter sido fabricada com o objetivo de controlar um motor. Creio que tudo isso está resolvido no módulo pronto.
Quanto ao Arduíno, a culpa não é sua :
Esta é uma parte do esquema elétrico do Arduino Uno R3 , repare que os pinos 13 e 12 do Atmega328P tem duas funções..... a maioria que aprende a usar o Arduíno sem ter tido contato com o microcontrolador em separado só aprende que esses pinos são I/O digitais conheçidos por D7 e D6 , quando na verdade também podem ser as entradas AIN1 e AIN0 do comparador. Também, reparei que aqueles diagramas que mostram os pinos do Arduíno com suas funcões não mostram isto do comparador, todos mostram comunicação serial, conversor A/D, PWM, I2C, mas nenhum mostra os sinais do comparador... uma falha que vem se perpetuando fazem mais de 10 anos !!!
Mas, cá entre nós, num mundo cada vez mais digital, quem precisa usar esse módulo comparador ?
Eu usei uma vez só até hoje, e faz bastante tempo .....
Agora.... compensa usar contatores reversíveis, Mosfets, diodos, soldar tudo com fios adequados, preparar a dissipação de calor, bolar interface analógica e acertar o software para usar o comparador ( uiiiii ), tentar manter controle via software sobre tempos extremamente curtos ( sem DSP acho que só com Assembly mesmo ) , etc, em vez de comprar um módulo pronto por cerca de R$ 70,00 ?
Paulo, estou gostando desse debate.
Usar ponte por relé ou mosfet até pode ser discutível dependendo da potência e seus custos. O que está me incomodando nesse ponto do debate é a ausência de controle de corrente. Para os motorzinhos de pequena potência ou limpadores de parabrisa, partida direta é o natural deles.
A pergunta que deixo é: por ser PWM microprocessado podemos abandonar o controle de corrente? Para aplicações mais simples pode-se admitir um controle sem refinamentos de estabilidade e precisão mas no geral os métodos de controle devem ser preservados. Digital ou analógico é mero detalhe, a máquina e suas características permanece a mesma. A ideia do comparador é para um limite de corrente de atuação rápida mas pode-se descascar o abacaxi de outras formas.
No desenho abaixo temos um controle de disparo de SCR. Esse tipo de controle pode muito bem ser comparado a um PWM de 120Hz.
No desenho de conversor abaixo a compensação de RI só é utilizada quando se usa tensão de armadura no lugar do taco.
É muito mais simples do que vocês pensam.
Basta usar um circuito integrado IR2127
O segredo destes circuito integrado está nos componentes que marquei de vermelho:
O circuito integrado aproveita o mesmo pulso que aciona o Gate do mosfet para através do diodo, criar uma pequena queda de tensão...
Só que esta tensão vai ser proporcional à queda de tensão do dreno do mosfet.
A queda de tensão do dreno será cada vez maior, quanto maior for a corrente.
Daí você pode colocar um trimpot no lugar do divisor resistivo para fazer ajuste fino.
O CI envia um sinal no pino Falt toda vez que a corrente máxima é alcançada. Não lembro se é sinal alto ou baixo.
Bom base no sinal de falha, dá para fazer umas limitações de corrente. O CI não desliga. Ele só manda os pulsos e continua a operar. Você que decide se o circuito vai limitar a largura dos pulsos para limitar a corrente, ou se vai desligar totalmente.
Este driver tem corrente baixa de saída. Mas você pode pôr um BC337 e um BC327 para amplificar a corrente.
@albert_emule , não conhecia esse driver, obrigado pela novidade. O legal é que por estar perto do mosfet diminui e muito o tempo de propagação da proteção. Quanto a capacidade de source/sink desse driver, mesmo que isso comprometa um pouco os delays do mosfet, em motores a frequência é baixa, por consequência o switching losses não pesam tanto. Admito que só consegui interpretar isso quando li a nota de aplicação disso, o datasheet é muito sintético.
https://www.infineon.com/dgdl/an-1014.pdf?fileId=5546d462533600a401535590e5fd0f4c
Usando o módulo que eu indiquei, que usa dois BTS7960, não precisa se preocupar com mais nada, apenas com o PWM !
Esse CI foi desenvolvido para controle de
motor, e suporta corrente de pico acima de 60A.
Esquece isso de controle de corrente, veja o datasheet :
Detalhe : esse CI já tem 14 anos !!!!
Por isso que eu gosto de ver tudo quanto é módulo que aparece, alguém já passou pelas dificuldades e lança um produto para facilitar a vida de quem vai passar pelas mesmas dificuldades !
Para ver como se usa esse módulo com um Arduino :
Paulo, esse ultimo link já dá o projeto completo do autor!
Tem até pronta
https://produto.mercadolivre.com.br/MLB-1048994816-modulo-driver-ponte-h-bts-7960-43a-bts7960-ibt2-arduino-_JM
Sim , eu já tinha passado o link disso no primeiro post que eu fiz neste tópico... e por último passei um link com um projeto bem completinho, com o programa e comentários, assim fica bemmmmmm mais fácil !
A idade faz a gente não ter mais paciência para ficar pensando em coisas teóricas, quando dá para resolver tudo por um custo bem razoável ....