¿Conduce motores de corriente continua con MOSFET y un microcontrolador?

Estoy desarrollando un nano quadcopter usando un microcontrolador Atmega328, alimentado a 3.3V, y motores de CC cepillados muy pequeños. La corriente promedio utilizada por estos motores es de aproximadamente 800 mA a 3,7 V.

Inicialmente, para conducirlos, usé un controlador de motor L293D pero este componente era bastante ineficiente. La corriente medida cuando los motores funcionaban a una potencia máxima era de aproximadamente 500 mA, por lo que el empuje era mucho más bajo de lo que debería ser.

Ahora, para resolver este problema, reemplazaría ese controlador de motor con 4 MOSFET de nivel lógico. Después de una larga búsqueda, encuentro este (2SK4033).

¿Sabes si debería funcionar? ¿Tengo que usarlo junto con un diodo? Si la respuesta es "sí", ¿qué pasa con este (MBR360RLG)?

Elegí estos componentes también porque puedo comprarlos en la misma tienda en línea.

Los MOSFET deberían funcionar muy bien para esta aplicación. Aquí hay algunas cosas a considerar:

1:

Cuando use un FET para conducir una carga, puede elegir una configuración de lado alto o de lado bajo. El lado alto coloca el FET entre el riel de alimentación y la carga, y el otro lado de la carga está conectado a tierra. En una configuración de lado bajo, un cable de la carga se conecta al riel de alimentación y el FET se coloca entre la carga y la tierra:

La forma más sencilla de conducir su motor (u otra carga) es usar un MOSFET de canal N en la configuración de lado bajo. Un N-FET comienza a conducirse cuando su voltaje de puerta es más alto que su fuente. Dado que la fuente está conectada a tierra, la puerta puede accionarse con lógica normal de encendido y apagado. Hay un umbral que el voltaje de la puerta debe superar ("Vth") antes de que el FET conduzca. Algunos FET tienen Vth en decenas de voltios. Desea un N-FET de "nivel lógico" con un umbral que sea considerablemente menor que su Vcc.

Hay dos inconvenientes en la configuración FET del lado bajo:

• El devanado del motor está conectado directamente al riel de alimentación. Cuando el FET está apagado, todo el devanado está "caliente". Estás cambiando la tierra, no la conexión de alimentación.

• El motor no tendrá una verdadera referencia de tierra. Su potencial más bajo será más alto que la tierra por el voltaje directo del FET.

Ninguno de estos debe importar en su diseño. Sin embargo, ¡pueden ser problemáticos si no los espera! Especialmente con circuitos de mayor potencia :)

Para superar estos problemas, puede usar un P-FET en la configuración de lado alto. Sin embargo, el circuito de conducción se vuelve un poco más complejo. Un interruptor P-FET generalmente tiene su compuerta levantada hacia el riel de alimentación. Este riel de alimentación es más alto que el Vcc de uC, por lo que no puede conectar los pines de E / S de uC directamente a la puerta. Una solución común es usar un N-FET de lado bajo más pequeño para abrir la puerta del P-FET de lado alto:

R1 y R3 existen para mantener los FET apagados hasta que Q2 se activa. Necesitará R3 incluso en una configuración de lado bajo.

En su caso, creo que un simple N-FET de lado bajo (con R3) le servirá mejor.

2:

Observe R2 en el último diagrama. Una puerta MOSFET actúa como un condensador, que debe cargarse antes de que la corriente de la fuente de drenaje comience a fluir. Puede haber una corriente de entrada importante cuando proporciona energía por primera vez, por lo que debe limitar esta corriente para evitar daños en el controlador de salida del uC. El límite solo se verá corto por un instante, por lo que no es necesario un gran margen de error. Su Atmel específico, por ejemplo, puede generar 40 mA. 3.3V / 35mA => 94.3 Ohm. Una resistencia de 100 ohmios funcionará muy bien.

Sin embargo, esta resistencia ralentizará los tiempos de encendido y apagado del FET, lo que pondrá un límite superior a su frecuencia de conmutación. Además, prolonga la cantidad de tiempo donde el FET está en la región lineal de operación, lo que desperdicia energía. Si está cambiando a una frecuencia alta, esto podría ser un problema. Un indicador es si el FET se calienta demasiado.

Una solución a este problema es usar un controlador FET. Son efectivamente amortiguadores que pueden generar más corriente y, por lo tanto, pueden cargar la puerta más rápido sin la necesidad de una resistencia limitadora. Además, la mayoría de los controladores FET pueden usar un riel de potencia más alto que el Vcc típico. Este voltaje de puerta más alto reduce la resistencia de encendido del FET, ahorrando energía adicional. En su caso, puede alimentar el controlador FET con 3.7V y controlarlo con los 3.3V de uC.

3:

Finalmente, querrá usar un diodo Schottky para proteger contra picos de voltaje causados ​​por el motor. Haga esto cada vez que cambie una carga inductiva:

Un devanado de motor es un gran inductor, por lo que resistirá cualquier cambio en el flujo de corriente. Imagine que la corriente fluye a través del devanado y luego apaga el FET. La inductancia hará que la corriente continúe fluyendo desde el motor a medida que colapsan los campos eléctricos. Pero, ¡no hay lugar a donde ir esa corriente! Por lo tanto, atraviesa el FET o hace algo más igual de destructivo.

El Schottky, colocado en paralelo a la carga, proporciona un camino seguro para que la corriente viaje. El pico de voltaje alcanza el máximo en el voltaje directo del diodo, que es solo 0.6V a 1A para el que especificó.

La imagen anterior, una configuración de lado bajo con el diodo flyback, es fácil, económica y bastante efectiva.

El único otro problema que veo con el uso de la solución MOSFET es que es inherentemente unidireccional. Su L293D original es un controlador de medio puente múltiple. Esto hace posible conducir un motor en ambas direcciones. Imágenes conectando un motor entre 1Y y 2Y. El L293D puede hacer 1Y = Vdd y 2Y = GND, y el motor gira en una dirección. O puede hacer 1Y = GND y 2Y = Vdd, y el motor girará en sentido contrario. Bastante práctico

¡Buena suerte y diviertete!

Esto es lo que buscaría para cualquier MOSFET. Por cierto, esto es de la hoja de datos del 2SK4033: -

Usted dice que 800 mA es la corriente promedio pero, ¿podría aumentar a más de 1 A bajo carga? De todos modos, a 1A y con un voltaje de impulsión de puerta de 3.3V, el MOSFET cae aproximadamente 0.15V a través de sus terminales cuando alimenta una carga de 1A. ¿Puede vivir con esta pérdida de potencia (150 mW) y, lo que es más importante, cuando el voltaje de la batería cae por debajo de 3 V, puede vivir con el rendimiento perdido ya que el voltaje de la puerta cae inevitablemente.

Solo tú puedes responder esta pregunta. Hay mejores MOSFET que esto, pero debe calcular las corrientes de carga reales para el motor que espera ver.

EDICIONES

Aquí hay un chip que encontré que podría ser bastante útil en lugar de MOSFET. Es el DRV8850 de TI. Contiene dos medios puentes y esto significa que puede conducir de forma independiente dos de los 4 motores sin necesidad de los diodos de retorno (en efecto, el FET superior funciona como un rectificador síncrono y, por supuesto, esto reduce las pérdidas). La resistencia de encendido para cada FET es de 0.045 ohmios y tiene una potencia nominal de 5A (la potencia disipada es de aproximadamente 1.1 vatios) pero, dado que el OP quiere aproximadamente 1A, esto se vuelve muy trivial. El rango de voltaje de alimentación es de 2V a 5.5V, así que nuevamente esto es muy adecuado: -

Dado que se está utilizando un motor de CC cepillado, no necesariamente necesita un puente H como unidad. Solo dos casos realmente requieren un puente H; necesita conmutar externamente el motor (por ejemplo, piense en motores PM sin escobillas) o necesita invertir el giro. Ninguno de estos parece aplicarse aquí. El uso de una sola dirección o unidad de cuadrante único (SQD) simplificaría enormemente lo que está tratando de hacer.

El FET que está pensando usar (2SK4033) no es una gran combinación para el voltaje del variador que está disponible (Andy ya ha señalado por qué), y entraremos en más detalles sobre cómo elegir FET más adelante.

Conducción de motores de CC cepillados con un solo cuadrante (SQD)

$V_{\text{th}}$

$V_{\omega }$$R_{\text{wind}}$$R_g$$R_{\text{pd}}$$V_b$$V{\text{drv}}$

$I_m$$I_{d-pk}$$I_{d-rms}$$I_{\text{cr-ave}}$

• $I_{d-pk}$$I_m$
• $I_{\text{d-rms}}^2$$I_m^2$
• $I_{\text{cr-ave}}$$I_m$

Criterios básicos para elegir un FET (una especie de ABC de elegir un FET):

• $V_{\text{DS}}$$1.5 V_{\text{B-max}}$

$V_{\text{DS}}$

• $V_{\text{th-max}}$$\frac{V_{\text{Drv-min}}}{3}$

  $V_{\text{th-max}}$$R_{\text{ds}}$

• $\text{$\Delta $T}_{J-A}$

  El aumento de calor es realmente importante. Da cuenta de todas las pérdidas ... pérdida de conducción, pérdida de puerta y pérdida de conmutación.

Selección de parte de muestra basada en 3 criterios:

$V_{\text{B-max}}$$V_{\text{Drv-min}}$$V_{\text{DS}}$$V_{\text{th-max}}$$R_{\text{DS}}$

• $V_{\text{DS}}$$V_{\text{th-max}}$

$R_{\text{th}}$

$P_T$$P_{\text{cond}}$$P_{\text{sw}}$

dónde

$P_{\text{cond}}$$R_{\text{ds}}$$I_m^2$

$P_{\text{sw}}$$\frac{1}{2} I_m V_b F_{\text{PWM}} \left(\tau _f + \tau _r\right)$

$V_{\text{gs}}$$V_{\text{ds}}$$V_{\text{gs}}$$V_{\text{mp}}$$V_{\text{ds}}$

$Q_{\text{mp}}$$V_{\text{mp}}$$V_{\text{drv}}$$R_g$$V_{\text{mp}}$$V_{\text{drv}}$

$Q_{\text{mp}}$$\frac{\tau V_{\text{drv}}}{2 R_g}$$\tau$$\frac{2 R_g Q_{\text{mp}}}{V_{\text{drv}}}$$\frac{2(100 Ohms) \text{(4nC)}}{\text{3.3V}}$

Tiempo para algunos supuestos operativos. La temperatura ambiente es de 50 ° C (por lo que la temperatura máxima del troquel FET es de 100 ° C), la frecuencia PWM es de 20 kHz (porque las frecuencias más bajas son audibles y realmente de 5 kHz a 10 kHz es simplemente desagradable), el ciclo de trabajo (CC) es del 90% y la corriente del motor ($I_m$$R_{\text{ds}}$$R_{\text{ds}}$

$P_T$$0.9 \text{(33mOhm)} \text{(1.2A)}^2$$\text{(3.3V)} \text{(1.2A)} \text{(242nSec)} \text{(20kHz)}$ = 36mW + 19mW = 55mW

$I_m$ podría ser 1.65A y el FET todavía estaría en el presupuesto de aumento de calor.

Cabos sueltos

• Coloque el circuito de accionamiento y los interruptores cerca del motor.

• Si bien es posible que el micro maneje el FET directamente, una buena idea es un controlador para la protección del micro (algo como un NC7WZ16 podría funcionar aquí).

• $C_{\text{iss}}$

• $I_m$