Propósito del diodo y el capacitor en este circuito del motor.

Estoy conectando un pequeño motor de CC a un arduino usando un transistor NPN usando los siguientes diagramas que encontré en línea:

El circuito funciona y puedo hacer funcionar el motor con éxito. Ahora, estoy tratando de entender por qué funciona de la manera que lo hace. En particular, me gustaría entender:

1. ¿Por qué el diodo y el condensador están conectados en paralelo al motor? ¿Qué papel cumplen aquí?

2. ¿Por qué se necesita una resistencia entre el transistor y el pin digital PWM en el arduino? ¿Sería seguro correr el circuito sin él?

El diodo debe proporcionar una ruta segura para el retroceso inductivo del motor. Si intenta desconectar la corriente de un inductor repentinamente, generará el voltaje necesario para mantener el flujo de corriente a corto plazo. Dicho de otra manera, la corriente a través de un inductor nunca puede cambiar instantáneamente. Siempre habrá alguna pendiente finita.

El motor es parcialmente un inductor. Si el transistor se apaga rápidamente, entonces la corriente que aún debe fluir a través del inductor por un momento fluirá a través del diodo y no causará daños. Sin el diodo, el voltaje a través del motor sería tan grande como sea necesario para mantener el flujo de corriente, lo que probablemente requeriría freír el transistor.

Un pequeño condensador a través del motor reducirá la velocidad de las transiciones de voltaje posiblemente rápidas, lo que causa menos radiación y limita el dV / dt al que está sometido el transistor. 100 nF es excesivo para esto, y evitará una operación eficiente en todas las frecuencias, excepto las bajas PWM. Usaría 100 pF más o menos, tal vez hasta 1 nF.

La resistencia debe limitar la corriente que debe generar la salida digital y la base del transistor debe manejar. El transistor BE parece un diodo al circuito externo. Por lo tanto, el voltaje estará limitado a 750 mV más o menos. Mantener una salida digital a 750 mV cuando intenta conducir a 5 V o 3.3 V está fuera de especificación. Podría dañar la salida digital. O bien, si la salida digital puede generar mucha corriente, podría dañar el transistor.

1 kΩ es nuevamente un valor cuestionable. Incluso con una salida digital de 5 V, eso colocará solo 4,3 mA aproximadamente a través de la base. No muestra especificaciones para el transistor, así que supongamos que tiene una ganancia mínima garantizada de 50. Eso significa que solo puede contar con el transistor que admite 4.3 mA x 50 = 215 mA de corriente del motor. Eso suena bajo, especialmente para el arranque, a menos que este sea un motor muy pequeño. Me gustaría ver lo que la salida digital puede generar de forma segura y ajustar R1 para dibujar la mayor parte de eso.

Otro problema es que el diodo 1N4004 es inapropiado aquí, especialmente porque va a encender y apagar el motor rápidamente, como lo indica "PWM". Este diodo es un rectificador de potencia destinado a frecuencias de línea de alimentación normales como 50-60 Hz. Tiene una recuperación muy lenta. Use un diodo Schottky en su lugar. Cualquier diodo Schottky genérico de 1 A 30 V funcionará bien y será mejor que un 1N4004.

Puedo ver cómo puede funcionar este circuito, pero claramente no fue diseñado por alguien que realmente supiera lo que estaban haciendo. En general, si ve un arduino en un circuito que encuentra en la red en algún lugar, especialmente uno simple, suponga que fue publicado porque el autor lo considera un gran logro. Aquellos que saben lo que están haciendo y dibujan un circuito como este en un minuto no consideran que valga la pena escribir una página web. Eso deja a aquellos que tomaron dos semanas para que el motor gire sin que el transistor explote y no están realmente seguros de qué hace todo para escribir estas páginas web.

Cuando los devanados del motor transportan corriente, generan un campo magnético. Se necesita energía para hacer esto y la energía se almacena en el campo magnético. Si la corriente se corta repentinamente, el campo magnético colapsará. Este campo magnético cambiante inducirá una corriente en el devanado que es mucho más alta de lo habitual y producirá un voltaje más alto a través de los devanados. Es muy corto y puede ser bastante impresionante.

La clave para la corriente inducida es el campo cambiante. Puede ver el mismo efecto en un interruptor de la luz del hogar. Si tiene interruptores que no son del tipo de mercurio ("interruptores silenciosos"), a veces puede ver una chispa o destello de luz cuando apaga las luces. Si se rompe la conexión cuando la corriente alterna pasa cerca de cero, no pasa nada. Si se rompe cerca del pico de la corriente, el cableado a las luces tiene el campo magnético máximo a su alrededor y colapsará con un pico de voltaje suficiente para arquearse en el interruptor de la luz.

Observe que su diodo apunta hacia el lado + de su circuito. El campo cambiante produce un "EMF inverso" o un voltaje que va en la dirección incorrecta. La energía sale por la tubería en la que entró. (Espero tener ese derecho. Comprobaré y editaré si la tengo al revés). El diodo conducirá si el potencial, o voltaje, a través del devanado del motor es más de aproximadamente 0.6 V en la dirección "incorrecta". Para DC, esto es sencillo. Para PWM, esto se parece más a CA y un circuito confiable de calidad es más complicado.

Como dijo @OlinLathrop, su resistencia base podría ser un poco grande. Como ejemplos típicos, 2N2222 y 2N3904 tienen una ganancia beta o actual de aproximadamente 30 en CC que aumenta con frecuencia a 300-400. Si tiene mucho motor, el transistor no suministrará corriente ni se quemará. Puede calcular la disipación de potencia en el transistor a aproximadamente 1 W por amplificador y mucho más si las cosas no se ajustan correctamente. (No se pueden poner los transistores bipolares en paralelo sin mucho trabajo adicional. A medida que se calientan, la resistencia disminuye y fluye más corriente y la que calienta más rápidamente la corriente, por lo general hasta la destrucción). Puede ver que los pequeños controladores de motor vendidos para Arduinos tienen un disipador de calor o una gran parte con una sección de metal destinada a usarse con un disipador de calor.

La tapa suaviza los picos actuales. A medida que se amplían con el tiempo, disminuyen su pico de corriente y, por lo tanto, el voltaje que produce la corriente en el circuito es menor. Si su motor tiene escobillas, está obteniendo el flujo de corriente de encendido / apagado a la velocidad de giro del motor. Nuevamente volvemos a cambiar las corrientes y los campos. De aquí proviene el ruido de radiofrecuencia. La distribución de estos picos de corriente significa que la tasa de cambio de corriente es menor y, como resultado, la RFI (interferencia de radiofrecuencia) es menor. Apuesto a que si coloca una radio AM cerca de su circuito y la sintoniza en un lugar sin estación de radio, podrá saber cuándo está funcionando el motor. Pruebe tapas de diferentes tamaños y vea si detecta alguna diferencia.