Puente H con Mosfet y Relé - Silla de ruedas eléctrica

[Picuino]

Un motor tiene una bobina interna.

El valor de esta bobina viene en el datasheet del motor o se puede medir por ensayo.

Cuando circula corriente por el motor, la bobina interna hace que esa corriente tienda a mantenerse constante.
El periodo típico de carga/descarga de una bobina de motor viene a ser de 1 a 10 milisegundos.
Si el periodo de conmutación es suficientemente pequeño, la corriente por el motor será constante.

Sin tener en cuenta las transiciones, la potencia disipada por el diodo de libre circulación es igual a:    

   E =  (1 - D) · I · Vf

   D = ciclo de trabajo PWM.  Vale entre 0 y 1
   I = Corriente media que circula por el motor
   Vf = Caída de tensión en el diodo


Si el motor está funcionando en el arranque con 12V y 10Amperios, con alimentación de 24V:
   D = 12/24 = 0.50  ciclo de trabajo
   Vf = 25 voltios  (caída de tensión del zener, mayor que la tensión de alimentación)
   I = 10A

   P = 0.5 · 10 · 25 = 125 vatios

No hay zener que soporte esa potencia, además sería un desperdicio.

El zener sirve para disipar rápidamente la energía de los relés. Para motores no vale.

Saludos.

[MerLiNz]

Pero picuino esos 125w son de pico la intensidad va disminuyendo linealmente igual que en un diodo normal. La diferencia es que el zener te deja a 0 en 2ms mientras que el diodo normal lo hace en 10ms por lo cual tendríamos que el zener tiene 125w de pico mientras que el normal tendrias 2w durante 10ms bajando la potencia segun el tiempo. El zener que puse si miras el datasheet soporta 600w durante 1ms asi que es perfecto para este proposito. Si te fijas en el datasheet este zener es exclusivo para la supresión de picos a diferencia de un diodo normal que es de uso general.

[MerLiNz]

Es mas si te fijas nunca veras un zener en un esquema con rele te lo veras en pwm rapidos y donde se requiere un rapido descenso de energia mientras que un diodo normal se usa solo en aplicaciones mas simples,  por eso normalmente vemos diodos flyback normales porque la mayoría son simples aplicaciones sin embargo si abres una centralita de bosch de coche veras que para las solenoides y motores usa zener.

[Chaly29]

Hola MerLiNz, creo que estas equivocado, los zener son muy lentos, lo que se usa son diodos transzorb, 2ms a vos te parecen rápido, pero un pico de 2ms tiene tiempo para quemarte 100 transistores o más. Para hablar de rápido tienes que hablar de nseg (nano-segundos).

Estos diodos que te comento son parecidos a los zener, pero mucho más rápidos y soportan mucha más potencia, tal es así que un diodo pequeño de este tipo puede soportar transitorios de 600W fácilmente, un link

Hola elgarbe, no se que experiencia posee MerLiNz en este tema en particular, pero como ya te e comentado, tengo más de mil placas reparadas que usan ese método de supresión y nunca tienen problema con el circuito tal como te lo comento, funcionan en 24Vcc y corrientes parecidas a las que tu usarás. Porque tú deberías tener problemas con ese circuito?

Y para todos!! lo que se trata de suprimir no es un simple transitorio. Es la fuerza contra electromotriz del motor comportándose como generador... Que de no hacerlo, si se producirá un transitorio que quemará todo!!

Un saludo.

Atte. CARLOS.

[Picuino]

Para comprender el circuito, lo primero que hace falta es verle:




El esquema equivalente del motor es este (sin el generador v):




A partir de aquí, conociendo los valores, se pueden calcular los transitorios, su energía y su potencia.

En transitorios de corta duración (hasta 1 segundo) lo que importa es la energía que puede absorber el componente sin quemarse.
En regimen permanente, lo que importa es la potencia disipada.


Sin calcular los valores del circuito, no se puede saber si un componente se quemará o no.

Hay componentes que pueden soportar el peor de los casos que comentas, Charly: frenado de un motor o que un motor disipe toda su energía mecánica en un componente electrónico.
Depende de lo que aguante el componente y de la resistencia interna del motor. De hecho, en muchos casos, el elemento más débil que primero se puede quemar es el motor.


Si elgarbe nos comenta cuáles son los valores de su circuito, se pueden calcular esos transitorios y los componentes adecuados.



Saludos.

[Picuino]

MerLinZ, lo que tu comentas es suprimir la energía de la bobina del motor.
En control de motores eso no se hace porque lo que se quiere precisamente es que no se pierda nada de energía.
El control PWM se utiliza por eso, porque es muy eficiente. Mucho más, por ejemplo, que el control lineal.

Si utilizas un componente para disipar energía, estás gastando energía. Eso va contra el concepto del control PWM.

Por otro lado no es tan fácil disipar la energía de una bobina de motor.
Una inductancia de motor puede tener fácilmente 1mH o más y conducir 10 Amperios. La energía almacenada es    E = 0.5 · I^2 · L = 0.05 Julios
Si la descargas con una frecuencia de 2kHz (y eso es una frecuencia baja), disiparás un total de P = E · f = 100 vatios

Esa es la disipación en régimen permanente, no en el transitorio. 100 vatios de forma permanente.

Puede que encuentres componentes que lo soporten, pero no tiene ningún sentido disipar y perder esa energía.

Las bobinas de los motores no se descargan en régimen normal de funcionamiento.



En los relés el asunto es distinto. Las conmutaciones que sufre un relé son pocas y lo que se desea es que la bobina deje de magnetizar cuanto antes. Cuanto más rápido sea el apagado de la bobina, antes conmutará el relé y más rápido será.
En este caso sí que interesa disipar cuanto antes la energía (y la corriente) de la bobina.


Un saludo.

[MerLiNz]

a ver a ver que nos estamos liando, vamos por partes:

Chaly29:
Los 2ms es el TOTAL que tarda el ZENER en absorber el 100% de la energia resultante en la bobina frente a 9ms que tarda un DIODO NORMAL.

La respuesta del zener es 1ns, mirate el datasheet que te he puesto, lo dice en la primera pagina.

Picuino:

Entonces te hago una pregunta, si no quieres suprimir la energia de la bobina del motor para que se le pone un diodo normal inverso, este hace el mismo efecto que un zener, absorber la energia en el momento que le cortas corriente en el transistor. La UNICA DIFERENCIA es que el zener lo hace mas rapido que el diodo normal.

[MerLiNz]

Ademas, me pregunto porque en muchas paginas ponen este esquema:



Y dicen esto:
As the motor load is inductive, a simple flywheel diode is connected across the inductive load to dissipate any back emf generated by the motor when the MOSFET turns it “OFF”. A clamping network formed by a zener diode in series with the diode can also be used to allow for faster switching and better control of the peak reverse voltage and drop-out time.

Yo ya no le doy mas vueltas al asunto, se perfectamente la diferencia entre usar uno y otro, se que robert bosch lo utiliza como metodo para el control de motores electricos en los vehiculos, por lo cual simplemente os animo a que probeis ambos metodos y luego me comenteis la diferencia con un osciloscopio, olvidaros de la  teoria y probar la practica. Como ya te digo picuino la descarga de una bobina es lineal, tendrias 100W en el inicio y 0W 2ms despues, un diodo normal tendrias 8W en el inicio y 0W 9ms despues, si piensas la diferencia uno disipa mas rapido y tiene mas tiempo libre para refrigerarse, mientras que otro absorbe menos y tarda mas por lo cual tendria un menor ciclo de refrigeracion. A fin de cuentas generara la misma potencia solo que repartida en distinto tiempo. Si miras el datasheet del zener que te puse soporta 600W durante 1ms, por lo cual es mas que suficiente y se rie de los 100-200W que pueda tener.

[Picuino]

Si el diodo de libre circulación fuese ideal, no absorbería ninguna energía.
De hecho ese diodo se sustituye en muchos casos por un mosfet que tiene una caída de tensión mucho más pequeña.
Para este caso (10 Amperios) un mosfet de lado alto puede tener fácilmente 10 mili Omios y una caída de tensión de 0.1 voltios

Lo que pretende el diodo es cortocircuitar los bornes del motor para que la tensión que vea el motor sean 0 voltios.

Durante un tiempo (t_on) durante el cual el mosfet está conduciendo, la tensión del motor será de 24 voltios
Durante otro tiempo (t_off) durante el cual el mosfet no conduce y el diodo sí, la tensión del motor será de 0 voltios (-0.7 en realidad)

Si el ciclo es del 50%, la tensión efectiva que "vera" el motor será de 12 voltios (la mitad)

De esa forma damos menos tensión al motor (12 voltios) que la tensión de la batería (24voltios) con muy pocas pérdidas de energía.


La alternativa (poner una resistencia al motor) consume el doble de potencia, disipada en la resistencia.


Un saludo.

[Picuino]

Ademas, me pregunto porque en muchas paginas ponen este esquema:



Y dicen esto:
As the motor load is inductive, a simple flywheel diode is connected across the inductive load to dissipate any back emf generated by the motor when the MOSFET turns it “OFF”. A clamping network formed by a zener diode in series with the diode can also be used to allow for faster switching and better control of the peak reverse voltage and drop-out time.

Este no es un esquema  de control PWM.

En este esquema, el motor está todo el tiempo en marcha (con tensión Vdd) y el mosfet conduce durante todo el tiempo.

Cuando por fin quieres apagar el motor (al cabo de varios segundos), tienes que disipar la energía de la bobina y para eso el zener es más rápido.


Este es el esquema de un circuito snubber (el diodo y resistencia o el diodo zener). Este circuito sirve para disipar la energía sobrante de la bobina.

El diodo del otro esquema que puse antes se denomina diodo de libre circulación o freewheeling y sirve para mantener la energía dentro de la bobina.


Un saludo.

[MerLiNz]

Pues viene justo en una web de control pwm  y hablan todo el tiempo de PWM.

[Picuino]

Puede ser.

Si te fijas bien, con un ciclo PWM este circuito es muy parecido a este otro:



Eso es un circuito Boost. Sirve para elevar tensiones.
En el caso del circuito anterior, serviría para calentar la resistencia o el zener.

Eso es un calentador, no un control de motor.

Si intentas visualizar las tensiones y las corrientes con un ciclo del 50%, por ejemplo a 2kHz con una bobina de 1mH, puedes ver lo que te digo.
También puedes simularlo y tendrás lo mismo


Seguro que se han equivocado o no se han expresado bien.


Un saludo.

[elgarbe]

jojo, salgo 5 minutos y miren lo que se genera!!!!

La verdad muy interesante lo que exponen, me voy a tomar unas horas (entro al colegio en 10 minutos) para leer bien y tratar de sacar alguna conclusión...

Saludos y gracias por los aportes!

PD: no se peleen, que es más util exponer ideas y tratar de comprobar (con simulaicon o práctica) cual es la mejor alternativa. Busco los datos del motor y los subo.

[MerLiNz]

Toma, aqui otro que se equivoca de una universidad:

http://classes.soe.ucsc.edu/cmpe240/Fall05/LectureNotes/ch20_DCMotorApplications.pdf

Por cierto, esta super completo ese pdf, tienes todos los calculos para los distintos casos, calculos de tiempos, potencias, energia.... Podras ver que la disipacion de un zener no es como la formula que tu indicas. Hay un grafico que compara los distintos metodos y fijate quien queda en primer lugar: zener...

Abajo del todo hay ejemplos de puente H con zeners, para que veas que se usan mas de lo que pensamos, solo que no nos complicamos y usamos un "diodo normal".

[Picuino]

Toma, aqui otro que se equivoca de una universidad:

http://classes.soe.ucsc.edu/cmpe240/Fall05/LectureNotes/ch20_DCMotorApplications.pdf

Por cierto, esta super completo ese pdf, tienes todos los calculos para los distintos casos, calculos de tiempos, potencias, energia.... Podras ver que la disipacion de un zener no es como la formula que tu indicas. Hay un grafico que compara los distintos metodos y fijate quien queda en primer lugar: zener...

Abajo del todo hay ejemplos de puente H con zeners, para que veas que se usan mas de lo que pensamos, solo que no nos complicamos y usamos un "diodo normal".

Ok.
Voy a estudiarlo.

Busco los datos del motor y los subo.

Tendrás suerte si los consigues. La mayoría de las veces no hay más remedio que hacer ensayos. Por otro lado no son difíciles de realizar.
El primero de todos es muy sencillo: se mide la resistencia del inducido con un polímetro con el motor parado. Si el valor de resistencia es muy bajo y no se mide bien, puedes alimentar el motor con una corriente baja (100mA por ejemplo) y medir su tensión en bornes con un polímetro.

Saludos.