¿Cómo limito la corriente de mi motor mientras mantengo la caída de voltaje en él?

Estoy tratando de desarrollar mi conocimiento sobre el trabajo con motores de CC mediante el uso de un MOSFET IRF510 para encender y apagar un motor. Consulte el esquema a continuación para ver cómo conecté todo.

S 1 = puente que usé para alternar el voltaje de la puerta a 0 o 5 V
R PAG = resistencia desplegable ( 9.85 k Ω , Medido)
R METRO = resistencia del motor eléctrico ( 1 Ω , Medido)
i D S = corriente de drenaje ( ≈ 750 metro A , Medido)
R D S = resistencia de la fuente de drenaje cuando el MOSFET está encendido ( 0.6 Ω , de V D S / i D S )
V B A T T , o pag mi norte = voltaje de circuito abierto de la batería de 9V ( 8.68 V )

Esquemático

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

V B A T T , C yo o s mi d = voltaje de la batería cuando S 1 está cerrado ( 3.11 V , Medido)
V METRO = tensión del motor ( 2.57 V , Medido)
V D S = tensión drenaje-fuente ( 0.54 V , Medido)

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

V R i = voltaje a través R i ( 5.11 V , de V B A T T , o pag mi norte − V B A T T , C yo o s mi d )
R i = resistencia interna de la batería ( 2.87 Ω , del divisor de tensión)

Mi reacción visceral me dice que use un divisor de voltaje para mantener el voltaje en el motor. Quiero hacer esto porque mi motor está clasificado para operar entre 5V y 9V. También quiero agregar una resistencia limitadora de corriente en serie para evitar que la corriente sea tan alta que queme mi circuito y agote mi batería. Idealmente, puedo lograr lo deseado V METRO si agrego una resistencia en paralelo al motor ( R PAG ) tal que la resistencia equivalente del motor y su R PAG ( R mi q ) es mucho más grande que R i + R D S . Sin embargo, desde R METRO = 1 Ω , la mejor resistencia equivalente que puedo lograr es a pag pag r o X 1 Ω , lo que vuelve a ponerme de lleno en el punto de partida. Además, la resistencia limitadora de corriente en serie se llevará la mayor parte de la caída de voltaje, lo que privará al motor del voltaje que necesita.

¿Cómo puedo lograr la caída de voltaje que quiero y limitar la corriente? Cualquier ayuda sería muy apreciada. Esta es la primera vez que publico en StackExchange, así que pido disculpas si rompí algún protocolo.

R PAG es el lado equivocado de S1. Lo necesita para descargar la carga de la puerta cuando se abre S1. No puede obtener 3/4 A de una batería de 9 V estilo PP3. +1 por dar buenos detalles y un esquema en tu primera publicación.
Muy bien presentado, +1. Espero que sus colegas aprecien lo bien que presenta sus hechos. Como han dicho otros, parece que la fuente de alimentación es una batería de baja capacidad. Su voltaje caerá debido a su resistencia interna y baja capacidad, y se agotará muy rápidamente. Recomendaría obtener un motor de corriente mucho más bajo o una batería de capacidad mucho mayor. Cualquier cosa con una corriente de bloqueo por debajo de 400 mA debería estar bien, luego se pueden alimentar desde 5 V de Arduino (siempre que no detenga el motor demasiado tiempo), por ejemplo, rapidonline.com/Search?query=37-0441
@transistor, gracias por la aclaración. ¡La explicación para el menú desplegable tiene mucho sentido y dejé caer la pelota en eso!
@gbulmer, gracias por tu respuesta. Creo que vi un paquete de baterías AA de 4 o 6 baterías tirado por la casa. Usaré eso en su lugar.

Respuestas (2)

La caída de voltaje de su batería b/ca 9V es solo una fuente de voltaje deficiente. Si usa algunas baterías AA o más grandes en serie, su caída de voltaje será mucho menor.

En el control de motores, y en muchos campos, querrá utilizar la modulación de ancho de pulso (PWM) . Imagine alternar su interruptor miles de veces cada segundo. Si lo pulsaste la mitad del tiempo, entonces tendrías un ciclo de trabajo del 50 %, o la mitad del voltaje efectivo en el motor.

PWM es el método estándar para controlar el voltaje y/o la corriente a través de motores y en convertidores CC/CC.

No uso mucho Arduino, pero creo que tiene un PWM incorporado y funciones analógicas que en realidad son PWM. Creo que funciona a ~500Hz. No estoy seguro de si esto es lo suficientemente rápido, pero no hará daño cambiar demasiado lento. Úselo para controlar su MOSFET directamente (retire el interruptor) usando la función analogWrite. Para implementar esto, mueva su puerta MOSFET a un PWM analógico u otro y use la función apropiada para aplicar PWM.

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

Gracias por su respuesta. Me olvidé por completo de usar PWM para controlar el motor. Dicho esto, si mi voltaje efectivo está por debajo del voltaje de funcionamiento, ¿me encontraré con el problema de dañar mi motor? Por ejemplo, mi motor está especificado para 5-9V. Si utilizo 4 pilas AA en serie, un ciclo de trabajo del 20 % en esta fuente de 6 V, suponiendo R i = R D S = 0 , daría como resultado un voltaje efectivo de 1.2V a través del motor. ¿Estaré operando mi motor por debajo del voltaje de operación, o estaré bien ya que el voltaje máximo de los pulsos PWM será de 6V?
Puede hacer funcionar su motor a un voltaje tan bajo como desee usando PWM. Habitualmente opero motores de 200 V con un ciclo de trabajo del 5 % para reducir la velocidad. El problema es cuando está haciendo funcionar un motor de bajo voltaje a alto voltaje, y esto suele ser una limitación térmica.
Buena respuesta. Por cierto, la frecuencia PWM predeterminada de Arduino es 490 Hz (976 Hz en los pines 5/6), pero se puede aumentar si es necesario: hasta 31,3 kHz (62,5 kHz en los pines 5/6). Pero 490 Hz debería estar bien para esta aplicación.

Hay algunos "atajos" con los que debe estar familiarizado, para que pueda hacer un "análisis operativo" rápido.
Cuando el transistor está encendido, puede pensar en él como un cortocircuito (un trozo de cable), por lo que si desea 5v en el motor (que es 1 ohmio), necesita 5A. Dado que la resistencia interna de la batería es de aproximadamente 2 ohmios, eso bajaría 10v, por lo que necesitaría una batería de 15v capaz de entregar 5A (75 vatios... 25W para el motor y 50W dentro de la batería).
Si puede obtener una batería con solo 1 ohm de resistencia interna, entonces solo necesitaría 10v, 5A (50 vatios... 25W para el motor y 25W dentro de la batería).

Tenga en cuenta que dado que el transistor no es realmente un corto, su resistencia también consumiría algo de energía que la batería tendría que suministrar.

Así que ahora, usando 1 ohmio para el motor, 1 ohmio para el transistor y 2 ohmios para la resistencia interna, se obtiene una resistencia total de 4 ohmios. 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 2.25v (2.25v a través del transistor y 4.5v dentro de la batería ).

Lo anterior se consideraría un análisis de "estado estacionario". Entonces, para limitar la corriente y aún proporcionar el voltaje requerido, el método PWM (que se ha propuesto) sería una forma de hacerlo, a costa de menos par producido por el motor.

Le recomendaría que use una batería de automóvil de 12v y vea si los cambios de medición se acercan más a lo que desea.

¿Cómo limito la corriente de mi motor mientras mantengo la caída de voltaje en él?
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