¿Cómo puedo limitar la corriente de mi motor manteniendo la caída de tensión a través de él?

Question

Estoy tratando de ampliar mis conocimientos sobre el trabajo con motores de corriente continua utilizando un MOSFET IRF510 para encender y apagar un motor. Por favor, consulte el esquema de abajo para ver cómo he conectado todo.

\$S_1\$ = puente que utilicé para cambiar el voltaje de la puerta a \$0\$ o \$5V\$
\$R_P\$ = resistencia de pulldown ( \$9.85k\Omega\$ , medido)
\$R_M\$ = resistencia del motor eléctrico ( \$1\Omega\$ , medido)
\$i_{DS}\$ = corriente de drenaje ( \$\approx750mA\$ , medido)
\$R_{DS}\$ = resistencia drenaje-fuente cuando el MOSFET está encendido ( \$0.6\Omega\$ , de \$V_{DS}/i_{DS}\$ )
\$V_{BATT, open}\$ = tensión en circuito abierto de la pila de 9V ( \$8.68V\$ )

Lo primero que me puso en un bucle fue cuando el voltaje de la batería cayó después de cerrar el interruptor. Hice algunas mediciones más para entender lo que estaba pasando:

\$V_{BATT, closed}\$ = tensión de la batería cuando \$S_1\$ está cerrado ( \$3.11V\$ , medido)
\$V_{M}\$ = tensión del motor ( \$2.57V\$ , medido)
\$V_{DS}\$ = tensión de la fuente de drenaje ( \$0.54V\$ , medido)

Tras investigar un poco, determiné que la caída de tensión se debía a la resistencia interna de la batería. Esto es lo que pude averiguar después de algunos cálculos más:

\$V_{R_i}\$ = tensión a través de \$R_i\$ ( \$5.11V\$ , de \$V_{BATT, open}-V_{BATT, closed}\$ )
\$R_i\$ = resistencia interna de la batería ( \$2.87\Omega\$ de un divisor de tensión)

Mi instinto me dice que use un divisor de tensión para mantener la tensión a través del motor. Quiero hacer esto porque mi motor está clasificado para funcionar entre 5V y 9V. También quiero añadir una resistencia limitadora de corriente en serie para evitar que la corriente sea tan alta que queme mi circuito y agote mi batería. Lo ideal es que pueda conseguir el resultado deseado \$V_M\$ si añado una resistencia en paralelo al motor ( \$R_P\$ ) tal que la resistencia equivalente del motor y su \$R_P\$ ( \$R_{EQ}\$ ) es mucho mayor que \$R_i + R_{DS}\$ . Sin embargo, como \$R_M=1\Omega\$ La mejor resistencia equivalente que puedo conseguir es \$approx1\Omega\$ Lo que me devuelve al punto de partida. Además, la resistencia limitadora de corriente en serie se llevará la mayor parte de la caída de tensión, robando así al motor la tensión que necesita.

¿Cómo puedo conseguir la caída de tensión que quiero y limitar la corriente? Cualquier ayuda será muy apreciada. Esta es la primera vez que publico en StackExchange así que me disculpo si he roto algún protocolo.

Answer 1

Su voltaje cayó b/c una batería de 9V es sólo una fuente de voltaje pobre. Si utilizas unas cuantas pilas AA o más grandes en serie, tu caída de tensión será mucho menor.

En el control de motores -y en muchos campos- querrá utilizar modulación por ancho de pulso (PWM) . Imagínese que hace girar el interruptor miles de veces por segundo. Si lo pulsas la mitad del tiempo, entonces tendrías un ciclo de trabajo del 50%, o la mitad de la tensión efectiva en el motor.

El PWM es el método estándar para controlar la tensión y/o la corriente en los motores y en los convertidores CC/CC.

No uso mucho Arduino, pero creo que tiene un PWM en placa y funciones analógicas que son realmente PWM. Creo que funciona a ~500Hz. No estoy seguro de si esto es lo suficientemente rápido, pero no va a dañar nada para cambiar muy lentamente. Úsalo para controlar tu MOSFET directamente (quita el interruptor) usando la función analogWrite. Para implementar esto, mueve la puerta de tu MOSFET a un analógico u otro PWM y usa la función apropiada para aplicar el PWM.

Si su frecuencia PWM es demasiado baja, entonces podrá oír la respuesta del motor. Por ejemplo, si es de 1Hz, entonces el motor se encenderá durante medio segundo, y luego se apagará durante medio segundo. Podrás oírlo claramente. Aumente la frecuencia PWM hasta que el motor funcione sin problemas. Hay otras razones para cambiar la frecuencia PWM también, pero en tu etapa de aprendizaje esto debería ser suficiente. Disfruta, ¡los motores son divertidos!

Answer 2

Hay algunos "atajos" con los que deberías estar familiarizado, para poder hacer un rápido "análisis operativo".
Cuando el transistor está encendido, puedes pensar en él como un cortocircuito (un trozo de cable), así que si quieres 5v a través del motor (que es de 1 ohmio), necesitas 5A. Dado que la resistencia interna de la batería es de unos 2 ohmios, eso haría caer 10v, por lo que necesitarías una batería de 15v capaz de suministrar 5A (75 vatios... 25W para el motor y 50W dentro de la batería).
Si puedes conseguir una batería con sólo 1 ohmio de resistencia interna, entonces sólo necesitarías 10v, 5A (50 vatios... 25W para el motor y 25W dentro de la batería).

Ten en cuenta que como el transistor no es realmente un cortocircuito, su resistencia también consumiría algo de energía que la batería tendría que suministrar.

Así que ahora, usando 1 ohmio para el motor 1ohm para el transistor, y 2 ohmios para la resistencia interna da 4 ohmios de resistencia total. La corriente máxima que puede proporcionar la batería de 9v es (9/4 =) 2,25A, lo que significa que el voltaje máximo que puede obtener el motor (bajo estos parámetros) es de 2,25v (2,25v a través del transistor, y 4,5v dentro de la batería).

Lo anterior se consideraría un análisis de "estado estacionario". Así que ahora, para limitar la corriente y seguir proporcionando la tensión necesaria, el método PWM (que se ha propuesto), sería una forma de hacerlo - a costa de un menor par producido por el motor.

Yo te recomendaría que usaras una batería de coche de 12v y ver si los cambios de medida se acercan más a lo que quieres.