Como acionar bobina de ignição corretamente usando um mosfet?

[matheus19]

Estou fazendo um modulo que controla a ignição do carro usando um ardunio, porém estou com duvida de como fazer o acionamento correto da bobina, fiz testes usando um IRF540 no teste usando uma lampada 12v de 21w deu certo mas, ao trocar a lampada pela bobina queimou o FET na hora, acbei queimando 3 IRF540, mesmo usando dissipador, fiz uma simulação no proteus e deu erro então provavelmente estou ligando algo errado... Agora me sobrou 3 IRF9540 e estou com medo de queima-los também, ate porque o modo de liga-los muda também né? 

 

Segue abaixo o esquema feito no proteus:

 

 

Ao simular esse esquema apresentou os seguintes erros:

 

Neste esquema estava fazendo um limitador de rpm com o arduino, que numa determinada rpm iria cortar o sinal negativo da bobina , que vem do transistor 2n3773 (um modulo de ignição simples que pega o sinal do platinado e aciona a bobina), ao ligar o pós chave de ignição (positivo da bateria), o fet queimava e entrava em curto na hora, se alguém puder dar uma ajuda agradeço. Obrigado!

 

 

 

[rjjj]

Coloque um diodo em antiparalelo com a bobina, sendo sua tensão de pico inversa maior que a de alimentação do circuito, além de sua corrente máxima direta maior que a máxima possível no circuito .

 

 

 

Espero ter ajudado .

[matheus19]

@rjjj eu fiz testes usando diodo em antiparalelo mas a bobina para de soltar faísca, porque se não me engano não posso dissipar a tensão do primário, pois ira dissipar o campo magnético armazenado para gerar a alta tensão no secundário, sera que se usar um capacitor igual o que tem no platinado protege o FET igual faz com o platinado? isso faz sentido? 

[rjjj]

@matheus19

 

 

Vejo que há uma série de fenômenos físicos associados a esse processo. Já pensou em usar um relé para isso ? É mais lento, porém é capaz de suportar faíscas em seus contatos.

 

 

 

Espero ter ajudado .

[matheus19]

Usar o rele só para o corte da alimentação da bobina,da certo sim ate testei com um, mas quero usar o mosfet no lugar daquele transistor 2n3773, pois pretendo que o arduino faça o chaveamento da bobina para controlar o momento exato de cada faísca, agora minha duvidas são:

 

1-Se eu ligar o arduino na propria bateria do carro usando um regulador de tensão de 5v, vou ter que usar o mesmo aterramento (GND) que a bobina, ali no caso o optoacoplador perderia a função de proteger o arduino?

 

2- A carga acionada por um FET tem que vim antes ou depois dele? Essa ligação abaixo está correta? vi alguns topicos sobre o irf540 e falaram que o ideal e jogar 10v no gate dele, ai no caso como eu aciono esse FET usando um transistor?

 

Valeu!

[Renato.88]

Em 24/09/2018 às 14:15, matheus19 disse:

1-Se eu ligar o arduino na propria bateria do carro usando um regulador de tensão de 5v, vou ter que usar o mesmo aterramento (GND) que a bobina, ali no caso o optoacoplador perderia a função de proteger o arduino?

Exatamente, vai ficar com o mesmo terra. 

A única maneira de fazer isolação é montando uma fonte chaveada para alimentar o arduino. 

 

Em 24/09/2018 às 14:15, matheus19 disse:

2- A carga acionada por um FET tem que vim antes ou depois dele? Essa ligação abaixo está correta? vi alguns topicos sobre o irf540 e falaram que o ideal e jogar 10v no gate dele, ai no caso como eu aciono esse FET usando um transistor?

A ligação da bobina está certa, porém aqueles resistores vão atrapalhar o mosfet. 

Ele é ao contrário do transistor comum, logo resistores de valor alto não farão com que desligue de imediato. 

Use um driver com transistores de baixa potência, pois com 5V ele não aciona, só 10 mesmo. 

 

[Sérgio Lembo]

Em 24/09/2018 às 12:18, matheus19 disse:

eu fiz testes usando diodo em antiparalelo mas a bobina para de soltar faísca, porque se não me engano não posso dissipar a tensão do primário, pois ira dissipar o campo magnético armazenado para gerar a alta tensão no secundário, sera que se usar um capacitor igual o que tem no platinado protege o FET igual faz com o platinado? isso faz sentido? 

Copiar o que funciona sempre faz sentido. Sobre o uso de diodo antiparalelo se o fenômeno provocado por este  atrapalha o bom funcionamento, então a solução é procurar uma convivência pacífica com o fenômeno. Deixar a bobina solta provoca picos de tensão destrutivos. Limitar tal pico ao nível do Vbat inibe a saída da faísca. E se limitarmos essa tensão num nível mais elevado? Quem sabe a uns 200V? Se nos 200V ainda não for suficiente, 500V? Para fazer tal limite basta que nos 200V seu mosfet seja de 250V, nos 500V seu mosfet seja de 600V.

Utilizando esse diodo antiparalelo que inibe a faísca, verifique qual o valor da corrente no momento que antecede o desligamento do mosfet. Um osciloscópio te ajudará. Supondo que venha a tentar a solução de 200V, calcule o valor da resistência para que essa corrente de bobina provoque os 200V de pico. Substitua o diodo antiparalelo pelo resistor calculado. A energia acumulada na bobina descarregará pelo caminho que for mais fácil, seja ele o secundário ou o primário. Caso não dê certo, refaça a tentativa para 500V.

Os transistores citados são de 100V, não dão pro cheiro.

adicionado 29 minutos depois

Uma outra solução que aumenta a eficiência, segue o mesmo raciocínio mas de custo maior, é a colocação de diodo TVS no lugar dos resistores. Vai fazer a mesma coisa mas apenas quando a tensão primária atingir o valor programado. Enquanto não atingir, toda a energia estará indo ao secundário.

[.if]

12 minutos atrás, Sérgio Lembo disse:

A energia acumulada na bobina descarregará pelo caminho que for mais fácil, seja ele o secundário ou o primário

Me fez conectar ao passado das antigas tv de tubo. Observe o yoke que absorvia parte da V e usava pra varrer o traço. Menor desperdício de energia.

 

Alternativamente, um snubber rc pode ser um adicional curioso

 

 

Perceba também o zenner que limita a V máx do mosfet que menciona o amigo.

18 minutos atrás, Sérgio Lembo disse:

mosfet seja de 600V

A energia que ele dissipa é jogada fora. Zener de V maior tende a suportar I menor. Hás de achar o caminho do meio...

[Sérgio Lembo]

10 minutos atrás, Isadora Ferraz disse:

A energia que ele dissipa é jogada fora. Zener de V maior tende a suportar I menor. Hás de achar o caminho do meio...

Nesse aspecto, temos 2 parâmetros a serem analisados: corrente de pico repetitiva e energia máxima dissipada. Considerando que a energia acumulada na bobina é fixa, quanto maior a tensão atingida menor será a duração do evento. Nosso objetivo é que esta energia seja integralmente transferida ao secundário, a proteção deverá absorver apenas alguns restos que não forem capturados pelo secundário. Caso parte significativa dessa energia fique presa na parte primária então o projeto terá fracassado.

[.if]

6 minutos atrás, Sérgio Lembo disse:

objetivo é que esta energia seja integralmente transferida ao secundário

É o que todo o mundo quer. Mas dizem que há leis que impedem isso.... Mas o garoto pode tentar infringir. O preço pode ser alto: pifar alguns mosfets.

Caminho do meio: algo como o que propusemos...

[matheus19]

Uma coisa que observei e que quando testei a bobina sendo acionada fora do carro, numa mesa usando o IRF540 joguei um sinal pwm do arduino no irf540 e a bobina faiscou bonito, ate mesmo acionando usando um pulso enviado por um botão, funcionou beleza, agora quando fui tentar no carro queimei os 3 irf540 em sequencia... Ai pensando 3 coisas que mudam na configuração quando ela esta instalada no carro são:

1-os cabos de vela que são resistivos

2-o  negativo da bobina não vem direto do negativo do platinado ele é "liberado" pelo transistor 2n3773 do modulo de ignição ao receber um sinal do platinado.

3-a tensão da bateria que durante a partida chega a ~9.5v (Mas acho que não seria esse o motivo da queima por que na 3 tentativa o IRF540 queimou só de ligar a ignição)

 

Sabe me dizer se existe algum site que eu digito algumas características de um mosfet por exemplo e ele apresenta alguns equivalentes? ara char um mosfet de 600v por exemplo com corrente de no minimo 20A...

 

 

Vou deixar aqui o esquema do modulo de ignição que esta funcionando a bastante tempo e ate agora não queimou o transistor

Alguém consegue identificar alguma proteção contra o pico de tensão da bobina?

[.if]

1 hora atrás, matheus19 disse:

site que eu digito algumas características de um mosfet por exemplo e ele apresenta alguns equivalentes

Sim digikey.com p.ex.

 

1 hora atrás, matheus19 disse:

proteção contra o pico de tensão

Pode ter queimado por sobre tensão (reveja as recomendações) ou sobrecorrente (mosfet acionado por muito tempo) . O mosfet trabalha meio que como um relé: ele fecha contato meeeesmoooo. Algo como alguns mOhms - quase um curto. . As vezes ainda melhor que o relé. Já o bjt fecha menos: fica uma tensãozinha nele meio que um resistor duns 1...2ohms (chute)

[Sérgio Lembo]

Comparando seu primeiro e segundo circuito com o acima vemos 2 diferenças:

- comutação em cascata no primeiro desenho combinado com excitação deficiente de tensão e corrente do mosfet.

- excitação deficiente de tensão e corrente do mosfet.

Esse mosfet pede 10V para boa performance. Tb pede um bom zero para seu desligamento. No bipolar (3º desenho) basta a ausência de excitação para se ter o corte. Mosfet é manhoso, possui capacitâncias parasitas significativas que demandam boa capacidade de corrente de pico num funcionamento em frequência sendo que no desligamento essa capacidade de pico é mais exigida ainda. Caso não queira desenhar um driver tem disso pronto pra vender.

adicionado 48 minutos depois

Ainda comparando os circuitos, no terceiro que funciona bem o acionamento on e off do transistor são rápidos e no mosfet está lento por excitação inadequada. Magnetismo em flyback é assunto enjoado, não sei dizer se isso afetaria o comportamento da bobina pois o 2N3071 é de 60V e não está queimando e o IRF540 é de 100V e entrou em curto. Transistor em curto é típico de sobretensão.

[matheus19]

So corrigindo o transistor da primeira imagem é o 2n3771 e não o 2n3773.

 

Então provavelmente liguei algo errado, vou arrumar mais uns irf540 e tentar novamente mas sem o ligar o modulo de ignição junto(2n3771), pois quero que o irf540 faça essa função.

 

Citação

- excitação deficiente de tensão e corrente do mosfet.

Esse mosfet pede 10V para boa performance. Tb pede um bom zero para seu desligamento

 

Nesse caso como faço para garantir os 10V no gate? pode ser tensão maior , 14V por exemplo? liga direto ou tem que usar um resistor? lembrando que vou usar o 4n25 para acionar o gate do irf540!

Valeu!

[Sérgio Lembo]

O gate suporta até 20V. Abaixo 3 opções de gate mas tb pode comprar um pronto, tá uns R$ 20,00 e já vem com optoacoplador embutido, é colocar entre o MCU e o arduíno e ser feliz, acrescenta apenas o resistor de polarização do led. FOD3180 da Fairchild.

O primeiro é o mais simples, mas a performance do desligamento depende do resistor de 390R.

No segundo o transistor adicional resolve a questão.

O terceiro é meu predileto mas vai ter que usar lógica negativa no MCU.

[matheus19]

@Sérgio Lembo  Uma duvida, o R7 não tinha que vim antes do transistor?

 

Outra coisa me disseram que como o GND do arduino vai estar ligado no negativo da bateria, ou seja usando o mesmo aterramento do circuito, o 4N25 perde sua função de isolamento, então simulei sem o 4n25 no proteus mas a tensão no gate do IRF540 não passa de 5V, sendo que a corrente maxima de cada pino do arduino é de 40mA, seria suficiente para acionar o transistor não?

 

Mais uma vez obrigado!

[Sérgio Lembo]

O transistor R7 limita o pico de corrente no gate ao ligar. É possível se fazer o circuito sem ele, mas o stress pode limitar a vida útil do mosfet. Para o desligaemnto já se indica um chaveamento mais pesado, inclusive no desligamento é que são observadas as maiores correntes de gate.

O pecado do circuito que postou é excitação insuficiente. A corrente do Arduino dá e sobra, o que fica faltando é tensão. No instante de ligar, quando houber o pico se conseguir 4V no emissor do Q2 vai ser muito. Isso resulta numa rampa de comutação mais lenta. Quando estabilizar a tensão de emissor estará no máximo a 4,5V. É pouco, o Rds estará elevado, vai aquecer o transistor. Há modelos de mosfet que trabalham bem nos 4,5V mas não é o caso do 540. Para o desligamento Q4 estará bem polarizado, não haverá problemas. Vai estar comutando correntes elevadas, faça um correto planejamento do GND do mosfet e do GND do arduíno ou terá comportamento maluco.

 

Sobre o uso de opto, desenhei com o 4N25 a pedido seu, não vejo razão para usá-lo. Um transistor comum ali fará o mesmo serviço.

 

Sobre a ligação direta entre o Arduíno e o gate, sendo este um transistor que opere bem 4,5V de gate, 5V/40mA = 120R. Utilize um resistor de 120R entre o Arduíno e o gate para proteger o MCU de stress.  Dá para operar dessa forma tb. No caso de cargas complicadas e o flyback é sempre complicado lembre-se de que um curto do mosfet poderá carregar o MCU junto caso o gate assuma a tensão de bateria por consequência do desastre.

[.if]

Caso queira usar o 2º circuito, a dica que dou é algo como trocar os transistores 1 pelo outro e colocar + 1 transistor npn. Isso dá V quasitotal do gate o que faz o mosfet conduzir melhor. Neste caso, isso...

15 horas atrás, Sérgio Lembo disse:

um resistor de 120R entre o Arduíno e

...a base é condição sine qua non. De fato pode ser algo como 1K

Desculpe mas tô sem lapis e papel agora mas seria algo como o da direita...

[matheus19]

@Sérgio Lembo  Por que no 2 esquema com 3 transistor foi adicionado o resistor R6 de 10K?

 

Edit: Divisor de tensão né? coloquei um resistor de 330R no lugar do de 10K a tensão máxima  do gate ficou em 9.68V, com o de 10K a tensão ficou 13.4V sendo que a tensão de saida da fonte que usei era  14.4V.

[Sérgio Lembo]

A função não é ser divisor de tensão. Na verdade deveria estar em todas as 3 versões. Sua função é garantir que o gate esteja descarregado quando o circuito não estiver ativo. Durante o funcionamento a carga e descarga serão feitas pelos transistores de saída do push-pull mas quando o circuito não está polarizado os transistores de excitação formam uma saída de alta impedância. Na hipótese de que no último funcionamento o circuito tenha sido desligado com o mosfet excitado R6 garante a descarga do gate e consequente situação de mosfet desligado no início do próximo funcionamento. Em outras palavras garante um início de funcionamento correto.

 

Uma coisa que tem a considerar na alteração de um circuito de transistor bipolar (ou BJT) para o mosfet:

Nos circuitos de potência temos a tentação natural de utilizar mosfet pela baixa resistência de saída (menos aquecimento) e menor corrente de excitação. Os BJT exigem altas correntes na base. Infelizmente nem tudo são flores. O próprio conceito de excitação do canal existente entre o dreno e a fonte por uma placa isolada (gate) ao mesmo tempo que nos dá a perspectiva de consumo zero no controle durante o estado de on também é a descrição de um capacitor de placas paralelas. Os drivers são construidos justamente para se ter uma carga e descarga rápida desse indesejável capacitor resultante e todo o desenvolvimento de novos mosfets de potência se concentram em ter o máximo de acoplamento entre o gate e o canal com o mínimo de capacitância resultante.

Um outro efeito dessa capacitância são os retardos (time delay) existentes entre a alteração do comando (desligado para ligado e vice-versa) e o início da transição efetiva na saída do componente. Isso significa que tanto a comutação como o desligamento só terão início após algum tempo da ordem recebida pelo gate. Nos BJT esse retardo é bem menor mas na sua aplicação essa característica é irrelevante.

Além do retardo para início do cumprimento da ordem tem o tempo de execução e quanto mais pobre for a excitação do gate maior será esse tempo. No caso desse circuito o que mais preocupa é o tempo de execução do desligamento (time falling) que encontra entre as suas causas a capacitância existente entre o dreno e a fonte. Essas característica somadas fazem com que no momento do desligamento o primário da bobina forme um circuito ressonante com o capacitor resultante no qual o mosfet se transforma com geração de picos de tensão destrutivos. No BJT também existem capacitâncias parasitas mas por serem muito baixas nem se faz necessário um circuito de proteção contra surtos reversos (snubber). Já existem mosfets com baixíssima capacitância e consequente acionamento rápido mas seu custo ainda é elevado. Um de 4A x 600V x 200mR de Rds é vendido a quase 10 dólares americanos. Na sua propaganda é mostrado um circuito flyback sem a necessidade de implantação de snubber.

[Sérgio Lembo]

Esse entendimento do que ocorre num circuito magnético durante a transição de deslilgamento é coisa que eu nem domino muito bem, talvez haja erros na minha descrição. Nossos colegas @MOR , @rjjj possuem uma visão matemática bem melhor que a minha, não se surpreenda se houver diferenças entre a descrição deles e a minha e caso haja a deles é a melhor. Apesar do circuito simples entraste numa área que dá pano pra manga, nem sei se o transistor selecionado IRF540 é o mais adequado para essa aplicação devido aos seus tempos e capacitâncias parasitas.