Controlador de carga, como utilizar Mosfet para polarizar bateria

Carlos Cecconello · 9 de março de 2020

Pessoal, sou iniciante em projetos eletrônicos e estou trabalhando em um circuito simples para controlar a carga de um gerador eólico. A proposta do circuito é chavear a tensão de um gerador eólico para uma bateria. O sistema de controle será feito com um microcontrolador STM32f103. Mas me deparei com um dilema em eletrônica básica que estou com dificuldades para compreender. Para fazer o chaveamento pretendo utilizar um Mosfet, a questão é simples, como polarizar a bateria para carrega-lá? Utilizar mosfet de canal N ou Canal P?

Pensei em utilizar o seguinte circuito, quais as consequências de utilizar a carga no Source do mosfet canal N? A bateria irá fornecer uma tensão para o mosfet, isso poderia danifica-lo?

Sérgio Lembo · 9 de março de 2020

É muito mais simples fazer isso com um transistor canal P.

Vai mesmo dar pancada de tensão e corrente na bateria? Antes de pensar no circuito pense na concepção de como irá transferir a energia do gerador para a bateria respeitando as características desses 2 elementos de eletrotécnica. Definido o que fazer é que se parte as alternativas de como fazer

Carlos Cecconello · 9 de março de 2020

@Sérgio Lembo Obrigado pela ajuda. Estou tentando encontrar a melhor forma de fazer isso. Infelizmente geradores eólicos de pequeno porte entregam uma potencia bastante instável. O projeto tenta se beneficiar da energia "gerada" na maior faixa possível de tempo. O circuito ao todo conta com cargas resistivas com a função de dissipar o excesso de potencia do gerador, a fim de manter a tensão recebida pela bateria em níveis aceitáveis.

Gostaria de entender qual a maneira certa de fazer essa polarização.

.if · 9 de março de 2020

Apesar de ainda não perceber a real função do mc, o amigo tem a opção de usar um simples relé com um controlador de carga 'de verdade' ou apenas este.

E sim é mais 'visível' eletricamente falando você chavear o negativo com um transistor npn ou mosfet canal n sem a necessidade do casal driver no gate pois não deve haver chaveamento rápido, né?

Pra eólicos, sugiro pesquisar sobre o sistema MPPT

Carlos Cecconello · 9 de março de 2020

@Isadora Ferraz Eu prendo utilizar um chaveamento com frequência, inviabilizando a utilização de relés. Com o micro eu pretendo controlar o Duty Cycle monitorando o gerador. A finalidade é manter o gerador produzindo, se o vento for fraco eu não posso ter grandes cargas conectadas ao meu gerador se não ele pode parar. Assim como eu controlo o RPM de um motor DC utilizando um PWM, só que a finalidade é oposta, onde eu controlo a carga para manter o RPM. O gate driver se faz necessário pelo fato que estou utilizando Power Fets, onde preciso de 15V no gate para IDmáx, e a saída do micro me fornece 5v.

.if · 9 de março de 2020

Mas o que determina a carga pode consumir é a bateria pois você não deve ligar nada direto no gerador , certo? Ela meio que faz uma interface entre o vento e sua diversão elétrica. O que deve manter o sistema é a carga (tensão) da bateria. Se ela cair de p.ex. 10,5V desliga o sistema. Também não vejo problema se ele parar de girar. Pesquise o funcionamento do sistema mppt. A maioria menciona solar mas é portável pro eólico.

Uma coisa meia lôca que vislumbro é um sistema onde você controlaria o ângulo das pás. Neste caso economiza até a parte mecânica da coisa...

Carlos Cecconello · 9 de março de 2020

@Isadora Ferraz Não entendi bem o que quis dizer, mas como vou utilizar a energia armazenada nas baterias é outra questão, o que estou tratando aqui é do circuito que vai carregar a bateria, que no caso é a minha carga para o gerador. Sistemas MPPT utilizam conversor DC DC para aumentar a eficiência do gerador, mantendo sempre a tensão de saída constante. Realmente é um sistema excelente e seria o mais adequado, porém alem do custo você deve imaginar que há uma grande diferença entre projetar um circuito PWM e projetar um circuito conversor DC DC para alta potencia com indutores e tudo mais o que mesmo requer.
Por hora, no inicio da minha jornada com projeto eletrônico ficarei satisfeito em um circuito mais simples, o que já está dando um certo trabalho.

Sérgio Lembo · 9 de março de 2020

Vamos falar do seu gerador: é alternador? Qual a tensão e correntes dele? Possui um regulador de tensão a exemplo dos alternadores automotivos?

Caso seja uma máquina DC, é com ímã permanente ou com campo bobinado? Dá para se fazer muitos controles a partir do campo com a vantagem de se trabalhar com uma fração da potência de saída.

adicionado 0 minutos depois

Se for alternador com campo bobinado as possibilidades de controle se repetem.

Carlos Cecconello · 9 de março de 2020

@Sérgio Lembo É um gerador brushless de 2kw trifásico, não há um regulador de tensão, uma ponte retificadora fará a sua conversão antes de entrar no controlador.

Sérgio Lembo · 9 de março de 2020

E qual a tensão de saída na rotação nominal? 220Vac 3F?

.if · 9 de março de 2020

39 minutos atrás, Carlos Cecconello disse:

um gerador brushless de 2kw trifásico

Juntamente com o amigo @albert_emule também sou entusiasta deste ramo mas esta potência é muita areia pro meu caminhãozinho. Mas penso que seu mc também o é só pra controle de pwm. É matar passarinho com canhão. No meu ponto de vista, se alimentado corretamente (com informações elétricas) ele daria conta do controle mppt com o pé nas costas. Afinal, penso que este projeto é pra você adquirir conhecimento pois comprar um controlador pronto fica muito mais em conta... mesmo o pwm.

1 hora atrás, Carlos Cecconello disse:

um circuito mais simples,

tmj. Mas você deve 'alimentar o sistema' com as informações propostas por Serjão e outras mais como: qual a capacidade da bateria, o que ela vai tocar, por quanto tempo te satisfaz e etc. Até entendo que pode não ser de minha conta mas em algum momento elas virão à tona.

Considere então o mosfet canal n e em seu gate aquele circuito seu não dá muito certo. O gate precisa de V maior pra disparar melhor... Olha isso...

depois isso...

albert_emule · 10 de março de 2020

12 horas atrás, Carlos Cecconello disse:

@Sérgio Lembo É um gerador brushless de 2kw trifásico, não há um regulador de tensão, uma ponte retificadora fará a sua conversão antes de entrar no controlador.

Vai ser difícil você extrair 200 watts disso aí.

Geradores eólicos tem muita engenharia aplicada.

Depis costuma-se faltar ventos.

Com 20Km por hora, que já costuma ser raro, você só vai gerar uns 300 watts com um rotor de hélice de 3 metros de diâmetro.

Para gerar ao 300 watts com este rotor, precisa ser hélices com aerodinâmica

Como dificilmente conseguirá aerodinâmica, não vai alcançar nem 200 watts.

O controle para estes geradores eólicos de baixa potência é simples;

Quando a bateria atingir 14V você manda o mosfet chavear um PWM numa carga resistiva para fazer um peso no gerador e dissipar a potência extra que a bateria não vai precisar.

Funciona muito bem e ainda freia o gerador.

albert_emule · 10 de março de 2020

Em 09/03/2020 às 10:43, Carlos Cecconello disse:

Pensei em utilizar o seguinte circuito, quais as consequências de utilizar a carga no Source do mosfet canal N? A bateria irá fornecer uma tensão para o mosfet, isso poderia danifica-lo?

TC4420 é melhor.

O +12V você conecta na saída positiva do retificador lá do gerador eólico.

O GND você conecta lá na saída negativa do gerador eólico.

Daí aqueles pontos de Conexão numerados com X2-1 e X2-2 você conecta uma carga resistiva que seja capaz de consumir potência maior que a do gerador.

Se o gerador gera no máximo 200 watts, você coloca uma carga resistiva que consome 400 watts.

Daí programa no micro-controlador para gerar um PWM cuja largura dos pulsos aumentará cada vez mais se a tensão insistir em passar de 14V na bateria.

Ou irá diminuir a largura dos pulsos se a tensão ficar abaixo de 14V.

O micro-controlador deve fazer leitura da bateria e manter um PWM que faça a tensão ficar em 14V na bateria.

Carlos Cecconello · 11 de março de 2020

@Isadora Ferraz Obrigado pela ajuda. Claro, o micro tem grande capacidade mesmo, vou utiliza-lo por que custa muito barato, cerca de R$20,00 e já tenho um pouco de experiencia com ele. Mas vamos por partes, atualmente a minha pretensão é fazer o controle com o pwm mesmo. Até por que tem mais questões envolvidas. Ler tensões de entrada do gerador, tensões das baterias, comutar cargas entre as baterias...

Sobre os circuitos, achei interessante mas não entendi o por que o meu circuito não funcionaria, ele alimenta o Gate com 15v, segundo o datasheet seria a tensão ideal para IDmax.

adicionado 8 minutos depois

@albert_emule Muito obrigado pela ajuda! , sim realmente você tem razão. Geradores eólicos são complexos e extrair alta potencia requer muita energia. Mas o gerador em questão que o projeto vai atender é comercial e a potencia máxima que ele é capaz de entregar é 2kw, pode ser que entregue a maior parte do tempo uma fração pequena dessa potencia, Mas o meu circuito tem que suportar a demanda total.

Sobre o controle, é por aí mesmo que estou pensando. Só tenho uma duvida, minha ideia era ter como controlar a bateria e a carga resistiva. O controle da parte resistiva não me deixa muitas duvidas, fora essa questão de gate driver que está gerando divergências. Mas como controlar a bateria?

O problema é o seguinte, eu pretendo usar a bateria para alimentar as demais partes do circuito. Então eu tenho que estar com o "negativo" da bateria ligado ao GND do circuito, Mas isso não permite eu ligar a bateria no dreno do mosfet. Por isso surgiu a ideia de colocar a bateria "abaixo" do mosfet, deixando o dreno direto no gerador e a bateria conectada ao Source, posso fazer isso?

.if · 11 de março de 2020

55 minutos atrás, Carlos Cecconello disse:

utiliza-lo por que custa muito barato, cerca de R$20,00

Que 'barato'!... tmj. Cá como importamos mesmo legal, pagamos uma fração disso.

55 minutos atrás, Carlos Cecconello disse:

meu circuito não funcionaria, ele alimenta o Gate com 15v

Perdão mas não me lembro do termo não funcionaria. Mas sim, você deve considerar que o sinal que vai na base tem que ter os 15V. Se sim, retiro o que disse...

Em 09/03/2020 às 13:58, Isadora Ferraz disse:

aquele circuito seu não dá muito certo

Se for o de controle (3v3) do mc, ele vai ter menos de 3V no gate o que deve provocar mau funcionamento.

55 minutos atrás, Carlos Cecconello disse:

a ideia de colocar a bateria "abaixo" do mosfet,

Neste caso considere um mosfet canal P (algo como um transistor pnp) ou se for usar mosfet canal n, o mais comum, considere algo como...

.. que já havia lhe proposto. A ideia dele é acionar o gate sempre com Vg maior que a Vs. Consulte o ds do ir2110, entenda-o e se achar que deve, copie-o em circuito discreto. 1/2 que dá.

Carlos Cecconello · 11 de março de 2020

7 minutos atrás, Isadora Ferraz disse:

Que 'barato'!... tmj. Cá como importamos mesmo legal, pagamos uma fração disso.

Perdão mas não me lembro do termo não funcionaria. Mas sim, você deve considerar que o sinal que vai na base tem que ter os 15V. Se sim, retiro o que disse...

Se for o de controle (3v3) do mc, ele vai ter menos de 3V no gate o que deve provocar mau funcionamento.

Na verdade minha saída do mc é 5v, com isso eu consigo atingir os 15v de gate .

7 minutos atrás, Isadora Ferraz disse:

Neste caso considere um mosfet canal P (algo como um transistor pnp) ou se for usar mosfet canal n, o mais comum, considere algo como...

.. que já havia lhe proposto. A ideia dele é acionar o gate sempre com Vg maior que a Vs. Consulte o ds do ir2110, entenda-o e se achar que deve, copie-o em circuito discreto. 1/2 que dá.

Obrigado pela ajuda amigo, na verdade estava buscando alguma alternativa para não usar CI's prontos de gate driver pelo fator econômico, como não preciso ter um controle rápido e preciso (como no caso de controle de inversores e ponte H, onde tenho que garantir o não acionamento simultâneo do par ) , fazer gate driver com componentes similares aos BC custa cerca de 10x menos que comprar um CI simples da família IR.

.if · 11 de março de 2020

5 minutos atrás, Carlos Cecconello disse:

saída do mc é 5v, com isso eu consigo atingir os 15v de gate .

com aquele circuito não.

6 minutos atrás, Carlos Cecconello disse:

fazer gate driver com componentes similares aos BC custa cerca de 10x menos que comprar um CI simples da família IR.

talvez... mas há mais coisa envolvida que não faz parte do escopo do tópico...

Carlos Cecconello · 11 de março de 2020

2 minutos atrás, Isadora Ferraz disse:

com aquele circuito não.

Consegue me explicar o por que não?

albert_emule · 11 de março de 2020

1 hora atrás, Carlos Cecconello disse:

@albert_emule Muito obrigado pela ajuda! , sim realmente você tem razão. Geradores eólicos são complexos e extrair alta potencia requer muita energia. Mas o gerador em questão que o projeto vai atender é comercial e a potencia máxima que ele é capaz de entregar é 2kw, pode ser que entregue a maior parte do tempo uma fração pequena dessa potencia, Mas o meu circuito tem que suportar a demanda total.

Neste caso, por ser comercial, faça o controle através de conversor DC/DC semelhante a controladores MPPT.

Fica mais profissional, né mesmo?

Além do mais também fica mais eficiente.

Citação

Sobre o controle, é por aí mesmo que estou pensando. Só tenho uma duvida, minha ideia era ter como controlar a bateria e a carga resistiva. O controle da parte resistiva não me deixa muitas duvidas, fora essa questão de gate driver que está gerando divergências. Mas como controlar a bateria?

O circuito de controle que citei, funciona numa boa com bastante confiança.

É uma forma tradicional já muito usada.

Veja como funciona:

https://www.youtube.com/watch?v=RyzeXMWsEt0

https://www.youtube.com/watch?v=ipO_3xHOs-A

Quando a bateria atinge 14V o micro-controlador manda um PWM para a carga resistiva para a carga resistiva puxar mais potência e drenar a potência extra, para evitar que essa potência entre na bateria.

É o que o autor do vídeo chama de desviar a potência.

Isso funciona e é algo comercial e já tradicional no mercado.

Citação

O problema é o seguinte, eu pretendo usar a bateria para alimentar as demais partes do circuito. Então eu tenho que estar com o "negativo" da bateria ligado ao GND do circuito, Mas isso não permite eu ligar a bateria no dreno do mosfet. Por isso surgiu a ideia de colocar a bateria "abaixo" do mosfet, deixando o dreno direto no gerador e a bateria conectada ao Source, posso fazer isso?

Neste caso teria que usar uma fonte chaveada isolada para o driver e usar um driver tipo TLP350.

Mas nada disso é necessário.

O melhor controle seria tipo um conversor DC-DC que faz adaptação da potência.

Pois um controle simples com PWM, você terá sérios problemas de eficiência.

Só um conversor DC-DC é capaz de diminuir uma tensão e aumentar a corrente na mesma proporção.

Um controle PWM só diminui a tensão. Mas não aumenta a corrente. Daí que fica ineficiente.

Carlos Cecconello · 11 de março de 2020

11 minutos atrás, albert_emule disse:

Neste caso, por ser comercial, faça o controle através de conversor DC/DC semelhante a controladores MPPT.

Fica mais profissional, né mesmo?

Além do mais também fica mais eficiente.

Sem duvidas, mas será um próximo passo.

11 minutos atrás, albert_emule disse:

O circuito de controle que citei, funciona numa boa com bastante confiança.

É uma form tradicional já muito usada.

Quando a bateria atinge 14V o micro-controlador manda um PWM para a carga resistiva para a carga resistiva puxar mais potência e drenar a potência extra, para evitar que essa potência entre na bateria.

É o que o auto o vídeo chama de desviar a potência.

Isso funciona e é algo comercial e já tradicional no mercado.

Muito bacana, você fez eu me questionar uma coisa, como se comporta o gerador em relação a bateria? por que eu estava tratando a bateria como uma boa carga resistiva, o que sugere é deixar o gerador sempre ligado na bateria e drenar a potencia extra? o fato da bateria estar sempre ligada no gerador é novo para mim.

11 minutos atrás, albert_emule disse:

O melhor controle seria tipo um conversor DC-DC que faz adaptação da potência.

Pois um controle simples com PWM, você terá sérios problemas de eficiência.

Só um conversor DC-DC é capaz de diminuir uma tensão e aumentar a corrente na mesma proporção.

Um controle PWM só diminui a tensão. Mas não aumenta a corrente. Daí que fica ineficiente.

Sim, realmente é uma atrocidade converter energia para depois "se livrar" do excesso... Mas é uma solução temporária enquanto adquiro conhecimento para fazer um conversor DC-DC de potencia.

albert_emule · 11 de março de 2020

Este tipo de controle que postei os vídeos com um pessoal mostrando, é usado até em regulador de moto.

Largamente usado nas motos.

O gerador da moto é de imã permanente de neodímio.

Muitos pensam que imãs de neodímio são os imãs mais fortes do mundo e que nada os supera

A verdade é que eles são fracos. Eles tem força de campo magnético de apenas 5000 gauss

Lá na moto, quando o gerador produz uns 10 amperes, os eletro-imãs do estator produz os 5000 gauss de campo magnético, anulando os campos magnéticos dos imãs de neodímio.

Daí mesmo que você feche curto-circuito no gerador, a corrente não passa muito de 10 amperes.

Tipo: Os imãs de neodímio saturam, sabe?

Daí que entra o regulador que citei. O regulador limita o crescimento da tensão, forçando os imãs do gerador da moto a saturar.

Se ao invés de imãs de neodímio, usassem eletro-imãs como nos geradores normais, o campo magnético não iria ter limites. Iria passar de 20000 gauss. Daí as bobinas do gerador iriam esfumaçar na hora por curto-circuito e a corrente passaria de 100 amperes.

Mas como são imãs de neodímio, eles saturam e a corrente sempre fica limitada em uns 10 amperes

Mas você vai dizer: É ineficiente!

Isso é verdade.

Deve contribuir para gastos de gasolina e tal. Mesmo que pouco.

Mas quando são usados em energias renováveis, a energia que você não pode armazenar e nem usar, não tem nenhum problema você dissipar em calor.

adicionado 11 minutos depois

9 minutos atrás, Carlos Cecconello disse:

Muito bacana, você fez eu me questionar uma coisa, como se comporta o gerador em relação a bateria? por que eu estava tratando a bateria como uma boa carga resistiva, o que sugere é deixar o gerador sempre ligado na bateria e drenar a potencia extra? o fato da bateria estar sempre ligada no gerador é novo para mim.

Em teoria a bateria deveria ser 100% igual a um capacitor no que se diz respeito ao armazenamento da energia.

Não deveria dissipar nada em resistência interna. Não deveria ter resistência interna.

Mas tem uma pequena resistência interna.

Uma bateria de 12V por 100AH possui uma resistência Interna de 0,0042 Ohms.

Essa resistência varia um pouco com a condição de mudança de temperatura, ou dependendo se ela está carregada ou descarregada.

adicionado 18 minutos depois

O gerador "enxerga" a bateria como um consumidor de potência.

Essa potência você tem como converter para torque e RPM, para saber o peso que fará no gerador. Veja uma calculadora que faz esta conversão no link abaixo:

http://wentec.com/unipower/calculators/power_torque.asp

Veja um exemplo de esforço num eixo para poder produzir 1000 watts em 89 RPM:

adicionado 30 minutos depois

No exemplo aí a hélice tem 3 pás.

Digamos que cada uma das pás arranque 3,3Kg dos ventos nesta velocidade de 89 RPM, já conseguirá gerar os 1000 watts.

Mas se aumentasse a rotação de 89 RPM para 260RPM, iria precisar de apenas 3,7Kg no eixo, ou seja: 1,2Kg de força em cada pá da hélice.

Geralmente os projeitas preferem trabalhar a eficiência da hélice, para que ela desenvolva a velocidade máxima.

Assim dá mais eficiência.

As comerciais que tenho visto com potência entre 2Kw até 3.5Kw, ficam com RPM dentro desta faixa de 250 a 260 na velocidade máxima de ventos que é de 40Kmh.

Também só produzem a potência máxima em 40Kmh

Veja um exemplo de um gerador comercial:

https://www.youtube.com/watch?v=pnUBdKp_WpY&feature=youtu.be

É um gerador eólico que tem um inversor dentro dele que sai 220Vac mas é on-grid

Veja que no vídeo bateu picos de 800 watts

O dono citou que gera uns 300Kwh mês.

Eu não duvido não. Gerando isso o tempo tono, vai gerar mesmo os 300Kwh mês

Essa região onde foi instalado, venta o tempo todo. É uma cidade que tem uns parques eólicos. A cidade é bastante propicia para geradores eólicos

adicionado 43 minutos depois

Gráfico de geração do gerador eólico da marca Skystream de 2.4 Kw que apareceu no vídeo.

Diâmetro do rotor: 3.72 m

Com uns 21KmH de vento já gera uns 300 watts.

No site a seguir tem os dados técnicos dele:

https://www.pier99.com.br/p-11182222-Aerogerador-Skystream-2.4Kw

Lá no vídeo, para dar aqueles picos de 800 watts, deveria estar dando rajadas de uns 10KmH de vento.

.if · 11 de março de 2020

5 horas atrás, Carlos Cecconello disse:

explicar o por que não

É quase simples: Por maior que seja a V no coletor de Q4, a tensão no emissor (a que aciona o mosfet) vai ser a da base - 0,6... o tal Vbe. Sendo esta 5V do seu mc... já viu né...

Pesquise algo como seguidor de tensão

E perceba a perturbadora posição de Q1

Olha isso...

https://eletronicadepotencia.com/transistor-mosfet-de-potencia/

mas algo me diz que o cara não seguiu minhas recomendações... Não consigo ver vgs mais alta que a de controle...

Mas sem nóia.. tem mosfet que fecha bem com 5V

albert_emule · 13 de março de 2020

Em 11/03/2020 às 16:33, Isadora Ferraz disse:

É quase simples: Por maior que seja a V no coletor de Q4, a tensão no emissor (a que aciona o mosfet) vai ser a da base - 0,6... o tal Vbe. Sendo esta 5V do seu mc... já viu né...

Pesquise algo como seguidor de tensão

E perceba a perturbadora posição de Q1

Olha isso...

https://eletronicadepotencia.com/transistor-mosfet-de-potencia/

mas algo me diz que o cara não seguiu minhas recomendações... Não consigo ver vgs mais alta que a de controle...

Mas sem nóia.. tem mosfet que fecha bem com 5V

Eu participo de um grupo de geradores eólicos caseiros no Whatsapp e tenho visto muita construção caseira por lá.

O pessoal usa controladores MPPT em motores de máquina de lavar daquela lava e seca.

Cada motor daqueles podem gerar até uns 10 amperes

Tem um pessoal que usa dois juntos e consegue até uns 20 amperes em 12V.

São locais que ventam muito.

albert_emule · 13 de março de 2020

Vejam um dos geradores eólicos que fazem lá no grupo:

https://youtu.be/gJGQ2mb27Js

.if · 13 de março de 2020

To com muita vontade fazer algo como armazenar energia não na bateria mas na gravidade. Algo como o eólico direto num motoredutor e este como um guindaste fazendo subir um treco bem pesado. Uma catraca pra não retornar. Ao chegar em cima um sistema puramente mecânico faz inverter as bolas e o treco começa a descer fazendo girar o gerador. Ou seja um sistema minimalista sem as frescuras da eletrônica (com todo o respeito claro. Ela é meu ganha pão kk). Queria ter tido esta ideia na época da feirinha de ciências...

Carái... copiaram (e melhoraram) minha ideia pow!

https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=energia-renovavel-armazenada-blocos-concreto&id=010115200204#.XmvXC_Fv9NA