Desenvolvimento de Ponte H

mlegnari · 3 de janeiro de 2021

Olá pessoal!

Estou desenvolvendo uma ponte H que possa ser possível montar a baixo custo com componentes no Brasil, o alvo são motores DC 12V até 500ma.

Eu já utilizei alguns drivers próprios como o L293 que possui controle de temperatura, e o L298N que possui proteção de temperatura e sensor de corrente integrado! Porém eu gostaria de desenvolver um circuito com limitador de corrente sem depender de grandes transistores ou componentes difíceis de achar aqui no nosso pais.

No circuito acima popularmente divulgado na internet (inclusive vários módulos arduino usam ele exceto pelo transistor Q5) eu adicionei esse transistor para limitar a corrente no motor, no momento de motor travado podem ocorres picos de mais de 3x a corrente normal do motor, e por alguns microssegundos passar de alguns amperes, o que danifica facilmente circuitos como o L293 pois esse só aceita picos de 1.2A por 10 microssegundos! A ideia é limitar esses picos! O circuito acima pode ser melhorado adicionando um diodo Anti-paralelo a Q5?

Obs: não adicionei no esquema mas na alimentação 12V possui um capacitor de 400uF por 25V para suprir o circuito.

- Tensão máxima: 16V (Pensei em adicionar um varistor 16V DC e um fusível para proteger o circuito caso falhe a alimentação)

Eu poderia utilizar vários transistores mais robustos em questão de corrente até com diodo interno integrado, porém nesse caso seria uma limitação de tamanho mesmo! E os BD's utilizados podem suprir em modo continuo 1.5A.

Já vi alguns circuitos com MOSFET para limitar a tensão, qual a diferença em usar um transistor comum?

Algumas sugestões?

Renato.88 · 3 de janeiro de 2021

3 horas atrás, mlegnari disse:

os BD's utilizados podem suprir em modo continuo 1.5A.

Na teoria sim, na prática nem tanto.

Transistores são iguais aos resistores, deve sempre ficar na metade do máximo permitido.

No caso, para os 500mA ditos antes tá valendo, só não esquece os dissipadores.

3 horas atrás, mlegnari disse:

Já vi alguns circuitos com MOSFET para limitar a tensão, qual a diferença em usar um transistor comum?

Os mosfets tem menor resistência interna, dissipam menos calor que um transistor comum.

Também, se comparar o tamanho da peça o mosfet suporta maior corrente pelo motivo citado acima.

Porém o seu ponto fraco é a tensão de Gate que é mais alta, nos mosfets mais comuns é de 10V, enquanto que no transistor comum é de 0,7V.

3 horas atrás, mlegnari disse:

Algumas sugestões?

Sugiro uso de circuitos com resistor shunt, é muito eficaz nas proteções de curto circuito.

Porém deve ter um circuito específico bem elaborado, pois são muito sensíveis na hora de desarmar. Em outras palavras, precisa de um circuito com espécie de retardo.

3 horas atrás, mlegnari disse:

Tensão máxima: 16V (Pensei em adicionar um varistor 16V DC e um fusível para proteger o circuito caso falhe a alimentação

Proteção com varistor para esse valor de tensão não é prático.

E ainda, os próprios transistores já limitam a tensão, acaba tornando o varistor desnecessário.

.if · 3 de janeiro de 2021

fusível

alexandre.mbm · 3 de janeiro de 2021

13 minutos atrás, .if disse:

fusível

Como descobrir (especificar) fusíveis que rompam "rapidinho"?

Parecem tão imprecisos...

mlegnari · 3 de janeiro de 2021

@.if Os fusíveis podem não atuar ainda nas correntes de surto, no instante 0 assim que o motor liga uma corrente bem alta passa pelo motor (inicialmente travado) que pode também destruir os transistores/mosfets. Nesse caso seria interessante uma partida suave, pode ser por PWM indo de 0 a 100% durante 10 milissegundo por exemplo ou um circuito de limite de corrente.

Fiz algumas "melhorias" (assim como penso, aguardando os mestres...)

Um apêndice: os transistores serão utilizados com dissipador de calor e estou escolhendo modelos projetados para serem usados em chaveamentos de motores, indutores etc.. (os BD135 não são próprios para isso) Estou buscando também transistores "Ruggedized" que são construídos para serem mais robustos e tentando uma qualidade melhor e boa procedência (Philips por exemplo tem 'oliginal' no Brasil bem baratinho)

- Adicionado capacitor 470uf ao esquema, deverá ficar bem próximo dos transistores para melhorar as transientes nos momentos de surtos.

- Q5 atua no chaveamento do circuito, ficará ligado constantemente.

- Q6 pode ser um npn pequeno qualquer (bc337 etc) ele "lê" a tensão sobre o shunt R8 e aterra a base de Q5 gradualmente limitando a corrente máxima que percorre o circuito.

- Zener D5 coloquei 20v, caso falhe a fonte/gerador (no meu caso alternador/retificador de tensão) a tensão passando de 20v iria chavear Q6 também interrompendo o circuito até que a tensão caia novamente.

Preferi não utilizar o PPTC (que aumenta sua resistência conforme aumenta a corrente que passa por ele) pois o produto será usado em diversos ambientes (quente, frio etc) então não posso depender de dispositivos que dependam de temperatura para atuar.

Uma possível melhoria: acrescentar capacitor cerâmico entre 10 e 100nf e alta tensão 50/100v entre os terminais do motor para reduzir ruídos elétricos, não acrescentei aqui pois o motor ficará a 30cm do meu circuito, então acrescento direto nos terminais dele (quanto mais perto do motor melhor por isso nem coloquei aqui)

Outro detalhe: no lugar de chaves terá um microcontrolador, eu pretendo realizar um PWM indo de 0 a 100% de ciclo num tempo que não impacte o trabalho do motor (10,50,100ms?? testando só! quanto maior o tempo mais suave será a partida e menor será a corrente de pico, porém o motor trabalha mais lento na partida até atingir 100%)

- Diodos serão ultrarrápidos (schottky de preferência, reconheço que são um exagero mas são baratinhos e eu busco robustez)

Bom,creio que seja um bom circuito, e tem potencial enorme de melhorias e corrente caso troque os transistores.

@Renato.88 boa explicação sobre o uso dos mosfets ao invés do transistor. Realmente nesse caso em particular preciso do TO-225 pequeno para caber na case, mas sobre as tensões de gate do mosfet, poderia utilizar algum LOGIC LEVEL, tem alguns mosfets hoje no Brasil baratos que acionam mais de 30A com apenas 3v de gate (para baixas frequências o próprio micro controlador pode atuar, para altas maior que 1khz tem que usar um driver pois precisa de corrente para carregar o capacitor de gate e não gerar calor de perdas)

@alexandre.mbm uso de PPTC (fusíveis restáveis) eles tem a corrente de TRIP (trabalho) e HOLD (travamento/acionamento) um fusível de 250ma trip pode rodar numa boa com baixíssima resistência, subiu a corrente a resistência dele aumenta muito limitando a corrente, porém... nesse circuito meu eu não sei se ficaria legal pois irei utilizar em condições adversas.

alexandre.mbm · 3 de janeiro de 2021

1 hora atrás, mlegnari disse:

sobre as tensões de gate do mosfet, poderia utilizar algum LOGIC LEVEL, tem alguns mosfets hoje no Brasil baratos que acionam mais de 30A com apenas 3v de gate

Mostra aí!

mlegnari · 3 de janeiro de 2021

@alexandre.mbm IRLZ44N https://www.infineon.com/dgdl/irlz44npbf.pdf?fileId=5546d462533600a40153567217c32725

3v no gate você consegue 20A com 3.5v pode variar entre 30/40A! Você encontra no mercadolivre a partir de 10 unidades preços entra 5/10 reais cada.

Tudo depende da sua necessidade! para chaveamentos rápidos (pwm de um motor por exemplo) vai fritar o mosfet... para acionar uma carga fixa, ou um motor mesmo que não vai ficar modulando e invertendo pulsos toda hora, atende bem e minimalista.

@albert_emule postou vários esquemas aqui na comunidade já de drivers para mosfet, eu uso drivers hoje para tudo, são baratos e você não precisa se preocupar com perdas de acionamento!

Para cargas menores 2/3A existem mosfets que conduz a partir de 1,7V eu não me recordo o nome agora, mas achei no Brasil também!

alexandre.mbm · 3 de janeiro de 2021

26 minutos atrás, mlegnari disse:

drivers para mosfet, eu uso drivers hoje para tudo, são baratos

Por exemplo?

.if · 3 de janeiro de 2021

Fusível tem valor 'incalculável' (nos 2 sentidos) e chega a ser condição sine qua non pra trecos de potência. As demais soluções é que são otimizações.

Com a onda de falsificações e baixo custo e etc, você terá dificuldade em tirar água de pedra. Considere manter ou até aumentar a robustez do sistema usando componentes críticos de até 5x a capacidade máxima. Se insistir nas peças baratas, inove como p.ex. colocando algumas em paralelo... transistores em paralelo é um capítulo à parte.

alexandre.mbm · 3 de janeiro de 2021

Segundo artigo na Wikipédia, motores podem ser protegidos com fusíveis "aM", apenas contra curto-circuito. Curva "rápida" ou "retardada".

A proteção de circuitos com semicondutores seria a cargo de fusíveis "aR". Também apenas contra curto-circuito. Não está claro se poderíamos ter um fusível "gR", que atuasse contra sobrecarga. Um "gM", creio que não! Devido ao pico de corrente na partida do motor.

mlegnari · 3 de janeiro de 2021

@alexandre.mbm não tem problema no uso de fusíveis para proteção do motor, mas devemos trabalhar para limitar a corrente, caso contrário é um cliente a mais ligando por causa de um fusível! Eu fiz uma ponte H para uma máquina aqui, coisa besta, 40ma de corrente continua e 140ma de pico na partida, usei o driver L293D (600ma.continuo e 1.2A pico (10 micros segundo apenas!!) Ele usa para testar motores idênticos, após uma porrada de testes explodiu o driver... Eu creio que um controle de corrente de pico iria proteger! 140ma de pico é o motor travado, mas o que o osciloscopio não pega a gte não vê! Passa muito mais do que isso no instante inicial! Colocar um resistor para limitar a 500ma (mesmo eu não usando mais que 140ma) iria limitar esse pico máximo por nanosegundos ou menos.

Sobre o driver de mosfet: tc4420 por exemplo.

@.if transistor em paralelo é uma opção a nível nacional de não descartar eu tenho usado 10x mais robustez do que pede meu circuito, infelizmente não dá pra confiar!

alexandre.mbm · 3 de janeiro de 2021

2 horas atrás, mlegnari disse:

Eu fiz uma ponte H para uma máquina aqui, coisa besta, 40ma de corrente continua e 140ma de pico na partida, usei o driver L293D

Isso que você chama de driver não é a própria ponte H?

Aliás, este CI tem duas pontes H, ou seja, controle para dois motores.

Um tutorial bem focado no L293D é o seguinte:

– Aprenda a utilizar a ponte H L293D com Arduino

Olhem que demonstração simples, no vídeo abaixo!

mlegnari · 4 de janeiro de 2021

1 hora atrás, alexandre.mbm disse:

Isso que você chama de driver não é a própria ponte H?

Aliás, este CI tem duas pontes H, ou seja, controle para dois motores.

Um tutorial bem focado no L293D é o seguinte:

– Aprenda a utilizar a ponte H L293D com Arduino

Olhem que demonstração simples, no vídeo abaixo!

O driver ponte H contém transistores/mosfets tudo em um só! Controle de corrente, temperatura, e tudo isso em um espaço reduzido! Inclusive existem drivers próprios e robustos para usos automotivos, porém ficamos reféns de circuitos que não existem no nosso país e devemos importar (preços altos e/ou qualidade duvidosa, alem de tempo de espera....)

O L293D aínda tem os diodos embutidos nele! Poupa muito espaço, mas para ter uma ideia, em fevereiro 2020 paguei 1,89R$ Aliexpress, em novembro estava mais de 12 Reais!!

Sem contar que desenvolver um circuito com componentes vendidos amplamente aqui além de elevar nosso aprendizado nos garante uma segurança maior de qualidade e disponibilidade. Usar esses CI's prontos quando se precisa de pequenos espaços ou se faz um protótipo e quer desenvolver a ideia rapidamente é uma mão na roda com certeza!