Amplificando una señal PWM con un amplificador operacional. ¿Es el slew rate un problema?

Question

Necesito amplificar una señal PWM de 5V a 24V para controlar un mosfet que a su vez maneja un pequeño motor de CC. La señal de entrada tiene una frecuencia de 500Hz y proviene de un Arduino uno (pin 9).

Para amplificar la señal pensé en usar una configuración típica de amplificador no inversor

simular este circuito – Esquemático creado usando CircuitLab

Si uso un amplificador operacional como el TL071, la velocidad típica de rampa es de 16 voltios por microsegundo. Esto significa que el amplificador operacional tomará 24/16 =1.5 microsegundos en alcanzar la salida alta de la PWM. Esto me parece aceptable ya que con una frecuencia de PWM de 500 Hz, el período de PWM debería ser de 2000 microsegundos, por lo tanto, 1.5 sobre 2000 es negligible.

¿Hay alguna otra consideración que deba hacer? Por ejemplo, ¿debería considerar el tiempo que el mosfet necesita para cargar la compuerta? ¿Hay una mejor manera de amplificar una señal PWM?

Además, supongamos que me gustaría aumentar la frecuencia de la PWM. Por ejemplo, hasta 2.5kHz. En este caso, el período de la PWM debería ser de 380 microsegundos. Teniendo en cuenta 1.5 sobre 380, la velocidad de rampa todavía me parece aceptable.

Answer 1

Para este tipo de amplificación de voltaje, típicamente usarías ... un MOSFET.

Sencillo de canal N, con conmutación en el lado bajo con una resistencia conectada a la tensión de alimentación positiva:

simula este circuito – Esquemático creado usando CircuitLab

El valor de R1 depende de lo que necesitas conmutar en el exterior.

De hecho, este es un circuito invertido, pero eso realmente no importa. La mayoría de los MCUs simplemente pueden configurar la polaridad del PWM, o simplemente puedes invertir lógicamente el ciclo de trabajo.

Lo cual realmente plantea la pregunta de por qué piensas que necesitas aumentar el voltaje de puerta del MOSFET que estás tratando de conducir!

Answer 2

Hay varias cosas mal o confusas aquí:

3. 24 V es muy alto para una compuerta de MOSFET. Por lo general, se especifica que estos cambien completamente con 10 o 12 V. 24 V podría ser el máximo absoluto, no para lo que está destinado a cambiar.

4. Un TL071 es totalmente inapropiado aquí. Esos necesitan varios voltios de margen de maniobra tanto de ambas fuentes como de la entrada y la salida.

5. Las especificaciones típicas son sin sentido.

6. Utilice un controlador FET. Conducir una compuerta FET desde una señal digital es exactamente para lo que están hechos.

7. Dependiendo del voltaje de la fuente de alimentación del motor y la corriente del motor, es posible que pueda usar un FET que cambie perfectamente con solo 5 V en la compuerta. Si el motor se alimenta de 30 V o menos, entonces algo como el IRLML0030 funcionaría. Simplemente conecta su compuerta directamente a la salida digital.

8. 500 Hz probablemente sea lo suficientemente rápido para que el motor filtre mecánicamente los pulsos. Sin embargo, es probable que haya un zumbido audible y que la corriente probablemente cambie significativamente durante el tiempo de encendido y apagado de cada pulso.

   Incluso si no te importa el zumbido, tener una corriente constante es importante. Piensa en la corriente a través del motor dividida en sus componentes CC y CA. Solo el componente CC mueve el motor. El componente CA no hace nada útil, pero aún causa calentamiento debido al componente resistivo de las bobinas del motor. En resumen, cuanto menor sea el componente CA, más eficiente será el accionamiento general del motor.

Answer 3

Lo que has analizado y concluido se ve bien, buen trabajo.

Deberías poner una resistencia entre la salida del amplificador operacional y la compuerta FET. Sin ella, el amplificador operacional tiene la capacitancia de la compuerta FET en su salida, lo que puede hacer que oscile. No puedo decir el valor de la resistencia sin conocer la capacitancia de la compuerta FET. Sin embargo, generalmente se encuentran valores alrededor de 470 Ω o 1 K que se utilizan típicamente, así que imagi

Answer 4

¿Hay alguna otra consideración que deba tener en cuenta?

Los gate drivers son generalmente una función de los conmutadores que desea controlar. Los factores más importantes son las capacidades de corriente, los límites de frecuencia y la topología de conducción.

Muy raramente se ven amplificadores lineales utilizados aquí. Buscar en Google "gate driver" puede ayudarte a obtener más información.

Answer 5

Puedes amplificar un PWM sin invertirlo con un Schmitt-Trigger.

Fuente de la imagen: The Art of Electronics (Horowitz, Hill)

Puedes cambiar el Voltaje de Alimentación (aquí 5V) al voltaje que deseas que sea el PWM. Por ejemplo, con un divisor de voltaje.