Uma ponte H com Mosfet.
Utilizamos muito para controlar motor, principalmente o DC, e por um motivo
bastante simples: ele te permite inverter a polaridade. Ou seja, você faz o
motor girar para direita e para a esquerda, o que te dá uma grande
flexibilidade no controle destes motores. E, em especial, eu já queria usar faz
tempo um transistor, o IRF1404, que considero um monstro que chega a 200
amperes. Ele é muito usado em módulos de potência de som automotor. Então,
hoje, você vai ver como controlar um motor DC, aquele de dois fios, um positivo
e um negativo. Isso tudo utilizando o ESP32 LoRa.
Vou, então, te apresentar um
circuito de controle e polarização de uma ponte H usando MOSFET’s e aplicar a
ponte H em uma carga para verificar seu funcionamento.
Demonstração
Recursos usados
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Um ESP WiFi LoRa 32
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Quatro IRF1404
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Três BC337
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Um CD4011
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Resistores
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Dois capacitores eletrolíticos 1uF
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Dois diodo 1N4148
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Cabo USB para o ESP
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Fonte 12V para a carga utilizada
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Carga (usamos um motor de vidro elétrico)
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Protoboard
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Fios
Ponte H
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A ponte H é um circuito que permite a inversão da
direção da corrente aplicada sobre uma carga.
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Usada comumente para controlar a direção de
motores DC, invertendo o sentido da corrente que flui por seus enrolamentos.
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Como os motores tendem a ser cargas que consomem
altas correntes, a ponte H utiliza-se de dispositivos chaveadores de potência
(transistores, relés), para controlar a direção do fluxo.
IRF1404
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A utilização de MOSFET’s de potência na
comutação de cargas apresenta vantagens,
principalmente relacionadas a alta velocidade de comutação, baixo intervalo de
desligamento, corrente de dreno (DRAIN) proporcional à tensão da porta (GATE),
baixa resistência no modo ligado
permitindo altas correntes.
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O IRF1404 é um MOSFET construído com tecnologia HEXFET® da International
Retifier.
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Possui uma resistência muito baixa durante sua
ativação
- RDS(on) = 0,004 ohms.
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Pode suportar uma corrente continua de 202A
respeitando-se a temperatura máxima da junção, mas é limitado em 75A para o
encapsulamento TO-220.
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Tensão máxima de dreno – fonte de 40V
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Tensão limite
VGS de 2 a 4V.
Esquema
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Este é o esquema utilizado neste exemplo, nele,
podemos perceber 3 blocos: o dobrador de tensão, a lógica de controle e a ponte
H em si.
Esquema - Ponte H
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A ponte H terá quatro IRF1404 dispostos de modo
que a ativação de um par deverá permitir o fluxo de corrente em um sentido e a
ativação do par oposto deverá inverter o sentido.
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Indicamos o par que deve ser ativado ao mesmo
tempo pelas entrada DIR A e DIR B, indicando a mudança de direção do motor
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Outro detalhe importante é que a tensão de
ativação dos transistores devem ser maior que o Vgs(th).
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Para Q9 e Q10, valores superiores a 4V já
deveriam ser o suficiente para iniciar a condução. Mas para Q8 e Q11, o Vgs(th)
deve ser esses 4V a mais que as tensões nos pontos A e B respectivamente.
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Como na condução de Q11 a tensão em B deve
idealmente ser a tensão da fonte, podemos imaginar que V deve ser de no mínimo
16V.
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Para manter a montagem usando uma única fonte de
alimentação, vamos recorrer a um dobrador de tensão.
Esquema – O dobrador de tensão
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Este é um circuito baseado em diodos e
capacitores bastante conhecido na eletrônica.
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Funciona basicamente como um “bomba” de
elétrons, empurrando elétrons pelos capacitores a fim de criar uma tensão superior
pelo acúmulo de cargas.
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A princípio, um dobrador de tensão deverá
entregar em sua saída o dobro da tensão de entrada.
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Na prática, devido às quedas de tensão, o valor
obtido foi de 21,5V aproximadamente. Mas era o bastante para ativação dos
MOSFET’s.
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Um oscilador de 1kHz, vindo do ESP (3V3) ativa
Q2 que passa a ser a fonte osciladora do circuito dobrador.
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A cada ciclo, as cargas acumuladas em C3, são
transferidas e somadas em C4.
Esquema – Ativação – Hardware
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Um detalhe muito importante em qualquer ponte H
é que os pares devem ser ativados de forma que o caminho da corrente seja
sempre pela carga (no caso nosso motor).
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Se os dois pares forem ativados ao mesmo tempo,
um curto-circuito entre o positivo da fonte e o GND se estabelecerá, podendo
danificar a ponte H e/ou a fonte de alimentação.
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Para evitar isso, uma lógica de ativação deve
ser implementada, seja via software, seja via hardware.
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Aqui está uma sugestão usando portas lógicas
NAND e sua tabela verdade.
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NÃO HÁ ATIVAÇÃO SIMULTÂNEA DE DIR A E DIR B
Esquema – Ativação - Software
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Outra forma de evitar isso, é controlar a
ativação por software.
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No exemplo de código, utilizamos esta abordagem.
NÃO DEVE HAVER ATIVAÇÃO
SIMULTÂNEA DE DIR A E DIR B
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As lógicas são invertidas pelos transistores. As
ativações são em nível baixo.
Código-Fonte: Constantes e variáveis
//PWM usado como oscilador do dobrador de tensão const int freq = 10000; //Frequencia do PWM const int canal = 0; // canal do PWM const int resolucao = 12; // Resolução (4096 estados) const int ciclo = 2048; //ciclo de trabalho de 50% const int pin_osc = 21; //GPIO utilizada para o oscilador //Pinos de atuação na ponte const int pin_A = 16; // Direção A const int pin_B = 17; // Direção B const int intervalo = 2000; //Intervalo para mudança de estados // Variável usada para alternar a direção boolean dir = false;
Setup
void setup() { //seta a direção dos GPIO pinMode(pin_osc, OUTPUT); pinMode(pin_A, OUTPUT); pinMode(pin_B, OUTPUT); // Ajusta o PWM com as constantes ledcSetup(canal, freq, resolucao); ledcAttachPin(pin_osc, canal); ledcWrite(canal, ciclo); }
Loop
void loop() { dir = !dir; //inverte o valor da direção //Desliga a ponte //note que a lógica é invertida pelos transistores Q15 e Q16 digitalWrite(pin_A, HIGH); // desativa o par A digitalWrite(pin_B, HIGH); // desativa o par B delay(intervalo); //aguarda um intervalo digitalWrite(pin_A, dir); //ESTE é o pino que controla o DIR A digitalWrite(pin_B, !dir);// o DIR B sempre deve ser a NEGAÇÃO de DIR A delay(intervalo); //aguarda um intervalo }
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12 Comentários
Os links estão inativos.
ResponderExcluirpreciso que entre em contato necessito de um projeto semelhante.
ResponderExcluirentrar em contato joaoloop@uol.com.br
ResponderExcluirBoa noite Fernando tudo bem? Estou precisando de um controle desse para um motor dc em 24v você pode me ajudar ficarei grato. Meu zap 038 999551505
ResponderExcluirEstou precisando de um circuito para comandar um motor em 24dc e essa inversão do motor precisa ser com um potenciômetro, vc pode me ajudar ficarei muito grato.
ResponderExcluirBoa noite Sr. Fernando. Vi sua aula no YouTube. Parabéns por compartilhar seu conhecimento conosco. Estou com uma dúvida. Qual a freqüência máxima do pwm que posso colocar no mosfet irf1404?
ResponderExcluirse você olhar no datasheet verá que ele é muito rápido: https://www.mouser.com/catalog/specsheets/international%20rectifier_irf1404.pdf
Excluirem nanosegundos:
td(on)Turn-On Delay Time–––17
VDD = 20VtrRise Time–––190
atd(off)Turn-Off Delay Time–––46
RG = 2.5Ωtf
Fall Time–––33
–––RD = 0.2Ω
O problema é que cada chaveamento irá dissipar energia, ou seja - se você trabalhar com frequências elevadas irá gerar mais calor
Muito bom o circuito. A dificuldade dos problemas é entender quais necessidades - a ponte completa pode ser feita para reversão abrupta, mas de qualquer forma sairia mais barato usar relé automotivo (40A) para fazer a inversão e trabalhar com meia ponte, não? Podemos usar a variação do pwm para pulsar o oscilador? (claro, desde que não use o duty-cicle em 100% ou 0%f)
ResponderExcluirNo datasheet do IRF1404 a tensão máxima de VGS é +-20V.
ResponderExcluirEsta tensão 'dobrada' não pode danificar ou reduzir a vida util do mosfet?
Pode sim, ideal é aplicar 15v no gate, sempre onda quadrada , da velocidade na transição
ExcluirA referencia é a tensão entre o gate e o source, nos mosfets superiores o source não é 0V porque existe a carga do motor nesses terminais, nesse caso, a tensao no source é um pouco abaixo da tensão de entrada 12v, por isso é necessario uma tensão maior nos mofets superiores
ExcluirPara não precisar de um dobrador de tensão, geralmente se usa nos mosfets superiores o do tipo PNP, no entanto, eles apresentam mais perdas de potencia do que os NPN
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