Finalidad del diodo y del condensador en este circuito de motor

Question

Estoy conectando un pequeño motor de corriente continua a un arduino usando un transistor NPN usando los siguientes diagramas que encontré en internet:

El circuito funciona y consigo hacer funcionar el motor. Ahora, estoy buscando entender por qué funciona como lo hace. En particular, me gustaría entender:

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

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

Answer 1

El diodo es para proporcionar un camino seguro para el retroceso inductivo del motor. Si intentas desconectar la corriente en un inductor de forma repentina, éste hará la tensión que sea necesaria para que la corriente siga fluyendo a corto plazo. Dicho de otro modo, la corriente a través de un inductor nunca puede cambiar instantáneamente. Siempre habrá una pendiente finita.

El motor es parcialmente un inductor. Si el transistor se apaga rápidamente, la corriente que aún debe fluir a través del inductor durante un tiempo pasará por el diodo y no causará ningún daño. Sin el diodo, el voltaje a través del motor sería tan grande como sea necesario para mantener la corriente fluyendo, lo que probablemente requeriría freír el transistor.

A pequeño El condensador a través del motor reducirá la velocidad de las transiciones de tensión posiblemente rápidas, lo que provoca menos radiación y limita el dV/dt al que está sometido el transistor. 100 nF es excesivo para esto, e impedirá un funcionamiento eficiente en todas las frecuencias PWM excepto en las bajas. Yo usaría 100 pF más o menos, quizás hasta 1 nF.

La resistencia es para limitar la corriente que la salida digital debe suministrar y la base del transistor debe manejar. El transistor B-E parece un diodo para el circuito externo. Por lo tanto, la tensión se limitará a 750 mV más o menos. Mantener una salida digital a 750 mV cuando está tratando de conducir a 5 V o 3,3 V está fuera de las especificaciones. Podría dañar la salida digital. O, si la salida digital puede generar mucha corriente, podría dañar el transistor.

1 k? es de nuevo un valor cuestionable. Incluso con una salida digital de 5 V, eso sólo hará pasar 4,3 mA más o menos por la base: la caída de tensión en la unión B-E ("diodo") es de 0,7 V, dejando los 4,3 V en la resistencia. No muestras las especificaciones del transistor, así que imaginemos que tiene una ganancia mínima garantizada de 50. Eso significa que sólo puedes contar con que el transistor soporte 4,3 mA x 50 = 215 mA de corriente del motor. Eso suena bajo, especialmente para el arranque, a menos que se trate de un motor muy pequeño. Yo miraría lo que la salida digital puede suministrar con seguridad y ajustaría R1 para extraer la mayor parte de eso.

Otra cuestión es que el diodo 1N4004 es inapropiado aquí, especialmente porque vas a encender y apagar el motor rápidamente, como implica "PWM". Este diodo es un rectificador de potencia destinado a las frecuencias normales de la línea eléctrica como 50-60 Hz. Tiene una recuperación muy lenta. Utilice un diodo Schottky en su lugar. Cualquier diodo Schottky genérico de 1 A y 30 V funcionará bien y será mejor que un 1N4004.

Puedo ver cómo este circuito puede parecer que funciona, pero claramente no fue diseñado por alguien que realmente sabía lo que estaba haciendo. En general, si ves un Arduino en un circuito que encuentras en la red en algún lugar, especialmente uno simple, asume que fue publicado porque el autor lo considera un gran logro. Los que saben lo que hacen y dibujan un circuito como éste en un minuto no consideran que merezca la pena escribir una página web sobre él. Quedan los que han tardado dos semanas en conseguir que el motor gire sin que el transistor explote y no saben muy bien qué hace todo para escribir estas páginas web.

Answer 2

Cuando los devanados del motor transportan corriente, generan un campo magnético. Para ello se necesita energía, que se almacena en el campo magnético. Si la corriente se corta repentinamente, el campo magnético se colapsa. Este campo magnético cambiante inducirá una corriente en el devanado mucho mayor que la habitual y producirá una tensión más alta en los devanados. Es muy corto y puede ser bastante impresionante.

La clave de la corriente inducida es el cambio de campo. Se puede ver el mismo efecto en un interruptor de luz doméstico. Si tienes interruptores que no son de mercurio ("interruptores silenciosos"), a veces puedes ver una chispa o un destello de luz cuando apagas las luces. Si rompes la conexión cuando la corriente alterna pasa cerca de cero, no pasa nada. Si rompes cerca del pico de la corriente, el cableado de las luces tiene el máximo campo magnético a su alrededor y se colapsará con un pico de tensión suficiente para que se produzca un arco en el interruptor de las luces.

Observa que tu diodo apunta hacia el lado + de tu circuito. El campo cambiante produce un "back EMF" o voltaje que va en sentido contrario. La energía sale por el tubo por el que entró. El diodo conducirá si el potencial, o el voltaje, a través de la bobina del motor es más que cerca de 0.6V en la dirección "incorrecta". Para la CC, esto es sencillo. Para PWM esto es más como AC y un circuito fiable de calidad es más complicado.

Como dijo @OlinLathrop, tu resistencia de base podría ser un poco grande. Como ejemplos típicos, el 2N2222 y el 2N3904 tienen una ganancia beta o de corriente de unos 30 en CC que sube con la frecuencia hasta 300-400. Si tienes un motor muy grande, el transistor no suministrará la corriente o se quemará. Usted puede calcular la disipación de energía en el transistor en alrededor de 1W por Amp y mucho más alto si las cosas no están sintonizadas correctamente. (No se pueden poner transistores bipolares en paralelo sin mucho trabajo extra. A medida que se calientan la resistencia disminuye y fluye más corriente y el que se calienta más rápido acapara la corriente - generalmente hasta la destrucción). Puedes ver que los pequeños controladores de motor que se venden para Arduinos tienen un disipador de calor o una parte grande con una sección metálica destinada a ser utilizada con un disipador de calor.

La tapa suaviza los picos de corriente. A medida que se hacen más amplios en el tiempo, se reducen los picos de corriente y, por tanto, la tensión que produce la corriente en el circuito es menor. Si tu motor tiene escobillas, estás recibiendo el flujo de corriente de encendido y apagado a la velocidad que el motor está girando. De nuevo, volvemos a las corrientes cambiantes y a los campos cambiantes. De aquí proviene el ruido de radiofrecuencia. La dispersión de estos picos de corriente significa que la tasa de cambio de la corriente es menor y, como resultado, la RFI (interferencia de radiofrecuencia) es menor. Apuesto a que si pones una radio AM cerca de tu circuito y la sintonizas en un lugar sin emisoras de radio podrás saber cuando el motor está en marcha. Pruebe con tapones de diferentes tamaños y vea si detecta alguna diferencia.