Regulador de POTENCIA para corriente continua PWM

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INDICE

Cómo NO regular un motor DC
Concepto: Modulación por ancho de pulso (PWM)
Esquema
Prestaciones del mosfet IRF1407
Características de este regulador
Protoboard
Lista de componentes
La duración de la batería
Usos
El vídeo
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Cómo NO regular un motor DC

En aplicaciones para muy poca potencia existe un circuito parecido a éste:

[Fig 1] Regulador  básico para DC

El circuito anterior está basado en un transistor bipolar (Q1), y se le hace trabajar explotando su característica de amplificación: A mayor tensión base-emisor, mayor será la corriente emisor-colector.

Debido a su gran sencillez a veces se utiliza este circuito para pequeñas potencias. Pero cuando la potencia va más allá de unos pocos vatios este circuito se vuelve muy ineficiente.

La resistencia interna del transistor provoca que una gran cantidad de electricidad sea convertida en calor, lo que resulta en una pobre eficiencia, además de desperdiciar la siempre escasa energía disponible en las baterías (en caso de que este circuito se use con baterías).




Concepto: Modulación por ancho de pulso (PWM)

Este sistema es mucho más eficiente y actualmente se utiliza en los reguladores de velocidad comerciales. También sirve para regular dispositivos de iluminación.

La principal ventaja de este método es que se desperdicia muy poca energía en forma de calor ya que se utiliza un mosfet en régimen de conmutación (encendido-apagado) en lugar de utilizar un transistor bipolar.

Otra ventaja es que se obtiene del motor un par (torque) elevado aunque se le haga girar a baja velocidad. Esta es una gran ventaja del PWM.

La pregunta aquí sería: ¿Cómo vamos a regular la velocidad de un motor con un dispositivo (mosfet) que funciona en régimen todo-nada? No olvidemos que un mosfet no trabaja de forma progresiva como un transistor bipolar sino más bien como un interruptor o un tiristor: Conduce o no conduce, y cuando conduce, lo hace al valor de la corriente máxima.

La respuesta es: Jugando no con la tensión, sino con el tiempo. Un mosfet es como un interruptor. Haciendo que éste conduzca durante un tiempo y que no conduzca durante otro tiempo, estamos "regulando" la potencia. En el siguiente dibujo vemos cuatro señales que consisten en impulsos de duración variable (pero siempre con la misma tensión). Estas señales se envían a la compuerta o "gate" del mosfet haciéndolo conducir sólo durante el tiempo en que esa señal tiene nivel alto:

[Fig 2]  Señales que el  integrado 555 (a través de su pin 3) envía al mosfet.

Puesto que estos impulsos se suceden de forma muy rápida, la carga (normalmente un motor) "ve" no una sucesión de impulsos sino el valor medio de esos impulsos. Aquí está el verdadero sentido de este sistema de regulación PWM (Pulse Width Modulation) o modulación por ancho de pulsos. Esta forma de trabajar por pulsos no supone ningún inconveniente para un motor, pues su inercia le impide seguir las rápidas variaciones (cientos o miles de veces por segundo) y más bien responde al valor medio.

Veamos esos cuatro casos de señales distintas para gobernar el mosfet, cada una de estas cuatro señales van rotuladas con un número en la figura 2:

1) Potenciómetro P1 a mínimo. No se envían impulsos. Motor parado.

2) Pulsos muy espaciados y/o breves: En el motor producirá una velocidad de giro baja, pues el tiempo en que hay tensión es sólo una fracción del ciclo de trabajo. No obstante la baja velocidad, el giro se produce con más fuerza (par) que con otros sistemas de regulación por tensión, pues aunque la tensión sólo está presente un porcentaje de tiempo pequeño, lo está a la máxima tensión. No olvidemos que el PWM es un sistema de regulación que controla tiempo, no tensión (que siempre es máxima). Pero el resultado final es como si controlásemos la tensión.

3) Los pulsos son más frecuentes y/o más anchos: La velocidad de giro del motor ahora es mayor. El tiempo en que la señal tiene nivel alto es prácticamente el 50% del ciclo de trabajo, por lo que el motor también estará girando con unas prestaciones de aproximadamente el 50% de su capacidad.

4) Los pulsos son muy frecuentes y/o son tan anchos que ocupan prácticamente el 100% del ciclo de trabajo: El mosfet conducirá prácticamente el 100% del tiempo, con el resultado de que también el motor girará al 100% de sus prestaciones.

Por supuesto, son posibles todos los valores intermedios entre los cuatro supuestos anteriores, lo que nos permite regular la velocidad del motor de forma continua y progresiva.



Esquema

Fig 3. Esquema del regulador de potencia (velocidad) para motores DC

Sobre estas líneas, el esquema completo del regulador.

En la parte izquierda están las baterías que alimentan al circuito. En este caso son dos baterías de 12v en serie que proporcionan 24v. Pero se puede usar una sola para obtener 12v. O tres para 36v. El circuito va a funcionar bien con esa gama de tensiones desde 12v a 36v.

La  parte central es un estabilizador de tensión para obtener los 12v para alimentar IC1. Como dije antes, este circuito puede funcionar hasta con 36v, pero es necesario obtener una tensión de 4.5 - 15v para alimentar al IC1, independientemente de las baterías utilizadas. Esa es la función del zener D1 de 12v y el transistor Q1.

Más a la derecha, la parte de control. Un circuito integrado IC1 será el encargado de generar esos pulsos de duración variable para controlar la velocidad del motor. A su vez nosotros controlaremos a IC1 con el potenciómetro P1 que, con un puente de diodos (D2 y D3) conectados a los pines 4, 6 y 7 del IC1 cumplirán tal función.

En la parte derecha está la sección de potencia, con un mosfet recibiendo en su compuerta los impulsos generados por IC1 que salen por su pin 3. En serie con el mosfet está el motor que va a ser controlado. D4 tiene la función de absorber los pulsos de fuerza contraelectromotriz que generan los dispositivos basados en bobinas, tales como el motor, y evitar comprometer al mosfet.

[Fig 4] Mosfet montado en su disipador

El mosfet debe ir provisto de un disipador térmico cuyo tamaño dependerá de la potencia que vayamos a manejar. Este circuito puede servir para manejar 100W... o 1000W o quizás más. 

La potencia dependerá de las baterías y el motor que pongamos. Está claro que a más potencia, más grande tendrá que ser el disipador. 

En las distintas pruebas parece quedar demostrado que un disipador de 7cm x 7cm es más que suficiente para un motor de 200W y probablemente valdrá también para 500W. Para más potencia, simplemente poner un disipador más grande.



Prestaciones del mosfet IRF1407

Hay una gran cantidad de mosfet en el mercado, cada uno con sus prestaciones. He estado buscando uno que cumpla o supere las siguientes exigencias:

[Fig 5] Mosfet IRF1407 en encapsulado TO-220

1) Que soporte una tensión Surtidor-Drenador igual o superior a 36v, el equivalente a tres baterías en serie, por si alguien quiere hacer un montaje de altas prestaciones. El IRF1407 soporta bastante más allá: 75 voltios.

2) Que admita una intensidad realmente alta para tener flexibilidad de uso.

Lo mismo podemos hacer un regulador para unos pocos vatios, como un regulador para más de 1Kw. Según el datasheet del fabricante, el mosfet IRF1407 puede aguantar ¡¡130 amperios!! de forma continua, dejémoslo para más seguridad en "solo" 100 amp. Si vamos a trabajar a 36 voltios, una intensidad de 100 amperios suponen casi 4Kw. Y remarco: "Intensidad continua", porque picos de corriente breves, aguanta más de 500A. Sí, habéis leído bien: Quinientos amperios...

Realmente mucho más de lo que vamos a necesitar...

3) Que sea eficiente y no se caliente mucho. Gracias a su extremadamente baja resistencia interna de tan sólo 0.0078 ohmios, el calor generado en este mosfet es muchísimo menor que en otros tipos de semiconductor, lo que permite usar disipadores mucho más pequeños. Por si esto fuera poco, este mosfet puede trabajar hasta a 175ºC, ...siempre según datasheet del fabricante.

Si el calor generado por efecto Joule se rige por la fórmula:

P(w) = R (Ohmios) x I^2 (Amp)

Potencia (en vatios) = Resistencia (Ohmios) x Intensidad (Amp) al cuadrado

Supongamos que este mosfet es recorrido por una I de 20 amps. La potencia disipada (desperdiciada) en forma de calor será:

P(w) = 0.0078 x (20 x 20) = 0.0078 x 400 = 3.12W

Escasamente 3 vatios. Bastante poco, no está mal.

Si la resistencia interna del mosfet fuese de 1 ohmio, que es un valor aparentemente bajo (en lugar de 0.0078), la potencia disipada en forma de calor sería de ¡¡400W!!, algo totalmente inadmisible.

Es una  característica de agradecer que el mosfet tenga una resistencia interna de sólo 0.0078 ohmios.

4) Que sea barato. Lo anterior no servirá de mucho si el precio es prohibitivo.
Nada de eso: A pesar de sus excepcionales prestaciones, los tipos IRF1407, IRF1405 e IRF3205 cuestan entre 1€ y 5€. Hay muchos tipos más aparte de estos tres.

5) Fácil de encontrar. Otra característica que a menudo suele "fallar" en muchos esquemas: El circuito es genial pero ¡AY! un componente no se puede localizar, ha dejado de fabricarse, es obsoleto.... El mosfet IRF1407 actualmente es un componente bastante común.

A continuación os pongo el enlace al datasheet del IRF1407 así como una captura de la primera página de ese datasheet que contiene los parámetros más significativos:

Enlace al datasheet del mosfet IRF1407

[Fig 6]  Primera página del datasheet para el mosfet IRF1407

Hay otros muchos mosfet, unos con prestaciones similares, otros con más, y otros con menos. Comparto con vosotros una lista que creo es bastante completa. Si no encuentras el IRF1407 en tu localidad, prueba con otro de prestaciones similares, pero procura que tenga una resistencia RDS igual o inferior a 0.008 ohmios (Este dato está en la sexta columna en esa lista).

Lista de MOSFET con sus parámetros principales



Características de este regulador

- Para corriente continua (CC, DC)

- Tensión aplicable a la entrada: 12v - 36v. En este trabajo se aplicarán 24v, lo que se conseguirá poniendo dos baterías de 12v en serie. La limitación de 36v se puede superar obteniendo los 4.5-15v para el 555 mediante otros medios en lugar de Q1 y D1.


- Potencia máxima. Depende. En esta versión, unos 200W, que a 24v implica una intensidad de unos 10A. En las pruebas se ha demostrador que en estas condiciones el mosfet no llegaba a alcanzar ni 70ºC (y aguanta más de 175ºC), por lo que esta configuración valdría para 500W. Si se hace un disipador mas grande, por ejemplo de 7cm x 15cm, se pueden gobernar 1.000W o incluso más sin ningún problema, aunque para 1.000W aconsejo usar 36v en lugar de 24v, así también tendremos un consumo de 30A (en lugar de los 40A que tendríamos a 24v). Para obtener mas potencia, siempre que se pueda se elegirá subir la tensión en lugar de manejar más intensidad. Por ejemplo, para 500W, si en vez de usar 24v usamos 48v, necesitaremos la mitad de intensidad: 10A en lugar de 20A. En fin, se trata de jugar con la tensión y la intensidad. Ya sabéis: Potencia(W) = Tensión(V) x Intensidad(A).

Tened en cuenta uno de mis últimos vídeos donde se trata el recurso de hacer disipadores térmicos a la medida usando perfiles de aluminio de carpintería metálica, además, así ahorraremos dinero.


Vídeo: Cómo hacer disipadores térmicos con perfil de carpintería de aluminio


Protoboard

En esta ocasión, este circuito no será montado (de momento) en una PCB puesto que no sé exactamente cómo va a ser utilizado. A diferencia de otros circuitos, éste no es muy apto para ser encapsulado en un tupper o caja y ser utilizado como un dispositivo independiente. Esta es la razón de porqué (repito, de momento) no completaré el montaje. Lo haré más adelante si decido motorizar alguna de mis bicis.

[Fig 7] Circuito montado en protoboard.  Todo listo para someterlo a prueba

Pero sí lo montaré en protoboard para verificar que funciona y que es fiable, y hay que tener en cuenta que el protoboard ofrece unas condiciones más pobres que un montaje definitivo con sus buenas soldaduras y pistas generosamente anchas, recubiertas de estaño para facilitar la conducción especialmente en el circuito de potencia (mosfet).

Los cables que van al motor también tendrán que ser de sección suficiente y lo más cortos posible para evitar pérdidas. También está claro que todas las uniones eléctricas en la parte de potencia deben estar hechas pensando en que van a circular más de 10A (en este caso, para 24v y 200w)

Dónde comprar motores como el de este vídeo:
- DC  24V  250W  2750RPM

- DC  24V  500W  2500RPM

Lista de componentes y esquema detallado

Está a vuestra disposición en:

LISTA DE COMPONENTES Y ESQUEMA DETALLADO



La duración de la batería
Me gustaría ampliar el tema de la duración de las baterías.

La duración de una batería viene determinada por el parámetro capacidad, que viene expresado en Amperios-hora. Sin embargo, ese valor es teórico. No se puede extraer el 100% de una batería, ni mucho menos. En el caso de las baterías convencionales de plomo-ácido, sólo se puede extraer el 50% de esa capacidad. Si se trata de baterías "estacionarias" podemos extraer hasta un 80% de su capacidad (pero también son bastante más caras).

Es muy sencillo. Pongámonos en el caso de una batería convencional de plomo-ácido que dice tener 18 Ah de capacidad. Bien, pues su capacidad real será la mitad, es decir, 9 Amperios-hora.

¿Y qué quiere decir 9 Amperios-hora? Pues que podemos extraer de esa batería:

-  9 amperios durante una hora
- 18 amperios durante media hora
- 4.5 amperios durante dos horas
- 36 amperios durante un cuarto de hora (suponiendo que pueda dar 36A)
- 2.25 amperios durante 4 horas

La multiplicación de los amperios y las horas resulta ser el número 9.
Esa será la capacidad o autonomía real de nuestra(s) batería(s)

Si el consumo medio del motor va a ser de 9 amperios, una batería de 18 Amperios-hora permitirá usar ese motor durante una hora. Si con ese consumo la bici circula a 20 Km/h, la autonomía será de... 20 Kms. Estas son cifras bastante aproximadas a la realidad.




Usos

- El uso más común de un regulador de este tipo es para motorizar una bicicleta. 

- También la iluminación es un buen campo de aplicación, especialmente los paneles de diodos LED. No todos los LEDs son perfectamente iguales: A una tensión por debajo de la nominal unos brillan más y otros brillan menos. Como este regulador PWM no actúa sobre la tensión, sino sobre el tiempo, hará que todos los LEDs funcionen a su tensión nominal, y de esta manera lucirán todos por igual. Con más o menos brillo según la regulación, pero lucirán todos los LEDs uniformemente, evitando el feo efecto de zonas mas iluminadas que otras en el panel de LEDs, cosa que sucede en reguladores basados en tensión.

- Cualquier aplicación en que  sea necesario regular una corriente continua.



El vídeo

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Otros vídeos que pueden interesarte

Una alternativa a los disipadores térmicos convencionales para los semiconductores (disipadores que no son precisamente baratos) es recurrir a la chatarra de los talleres de carpintería metálica de aluminio. Hay perfiles de aluminio con muchas formas, algunas de las cuales son prácticamente iguales que los disipadores convencionales. Los hay sencillos en forma de "U" que pueden servir para pequeños transistores con encapsulado tipo TO-220, y también  los hay realmente grandes, con aletas, que sirven perfectamente para semiconductores de gran potencia, tal como el mostrado en la siguiente miniatura del vídeo:

Otro circuito similar, esta vez para regular corriente alterna (en vez de continua) es el siguiente, y puede con hasta 4 KW. Circuito totalmente comprobado y fiable. Vengo utilizándolo como herramienta desde que lo hice, y no se ha averiado ni una sola vez:

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