Ponte-H 12V 40A

 Limites do circuito

Para saber quanta corrente o circuito anterior pode manipular, temos que olhar as características dos transistores que usamos. Vamos olhar a primeira página do datasheet do TIP31. Datasheet são documentos que o fabricante do componente eletrônico diponibilizam para o consumidor, contendo informações e características elétricas e físicas do referido componente. Datasheet do TIP31 Podemos ver que a corrente máxima que o TIP31 pode chavear é de 3 Ampéres, sendo que durante pequenos intervalos de tempo o transistor pode chavear 5 Ampéres. Então surge o primeiro problema: E se nosso motor "puxar" mais que 3 Ampéres, esse transistor aguenta? A resposta é não. Ele queimará. O maior problema de usar transistores bipolares é que eles não conseguem chavear muita corrente. O maior bipolar que conheço é o TIP2955 / TIP3055 que podem chavear 15 Ampéres. E são caros!! Definitivamente, para motores de cadeira de rodas esse tipo de transistor não poderá ser utilizado porque esses motores geralmente são para correntes de 20, 30, 40 Ampéres. Mas existe um outro tipo de transistor, mais moderno, que foi desnevolvido graças aos avanços em física quântica e que é a nossa salvação.

Transistores de efeito de campo - FET

Para nossa alegria (não resisti hehehe), existe um tipo de transistor especial, que consegue chavear correntes estonteantes, chegando a 1000 Ampéres em um único transistor. São os transistores de efeito de campo. Vamos realizar o mesmo exercício anterior e analizar as características de um transistor FET de código IRF3205. Esse transistor é um FET canal N. irf3205 110 Ampéres! Parece mentira, e é. Explico: O limite de corrente do semi-condutor é 110 Ampéres, mas como pode ser observado no datasheet, o encapsulamento limita a corrente máxima em 75 Ampéres irf3205 limite Mesmo assim. São 75 Ampéres!!! Para uma ponte-h com transistores FET, são necessários transistores canal P e canal N, como no exemplo da ponte bipolar onde usamos transistores PNP e NPN complementares (veja na primeira linha do datasheet do TIP31). Porém, ao procurar transistores FET N e P complementares (mesmas caracteristicas) perceberemos que são raros, difíceis de achar. Eu percorri esse caminho e consegui um lote de transistores FET canal P, porém paguei o dobro, em um transistor que poderia chavear somente 20 Ampéres. Então decidi projetar uma ponte-h que somente usaria transistores canal N. Temos abaixo o circuito: Ao analizar o circuito em funcionamento, podemos notar duas coisas: O motor não recebe 12 Volts e sim 7,9 Volts aproximadamente. O motor não gira na velocidade máxima. O outro detalhe ( que não podemos notar na imagem ) é que Q1 esquenta MUITO, e depois queima. Porquê ??

Tensão Gate-Source

A razão pela qual não funciona é que o transistor FET é um dispositivo controlado por tensão (transcondutância). A tensão no pino G (gate) controla a corrente na saída (corrente dreno-fonte ou drain-source). A tensão no gate tem que ser maior que a tensão de gatilho (Vgs) que é entre 2 e 4 Volts na maioria dos FETs canal N. Essa tensão deve ser medida entre o pino G (gate) e o pino Source (S) do transistor. Para que o transistor "ligue" a tensão entre o Gate e o Source deve ser de 2 a 4 Volts maior que a tensão no pino Drain Ao conectar o dreno do transistor Q1 direto nos 12V não conseguimos que a tensão no gate fique mais de 4V acima dos 12V da alimentação por dois motivos:
  • A tensão de alimentação é 12 Volts. Portanto a maior tensão no circuito é 12 Volts.
  • Ao acionar o transistor Q1 para ligar, o pino S (source) do transistor ficará com a tensão muito parecida com a tensão de alimentação, e portanto a condição de gatilho (4V acima da tensão D ou 16 Volts) nunca poderá ser atingida.
Como a tensão de gatilho não é atingida, o transistor entra em um estado de condução chamado "zona linear" onde a corrente chaveada é proporcional a tensão no pino G (gate) antes do gatilho, o transistor funciona como um resistor dissipando um monte de potência em forma de calor. Com os transistores Q2 e Q4 não teremos problemas pois o seu pino Source está conectado no 0 Volts, portanto a tensão Gate-Source sempre vai ser maior que zero! Para resolver o problema, temos que aplicar 12 + 4 Volts no pino G de Q1 ou Q3, mas como aplicar 16 Volts se alimentamos o circuito com apenas 12 Volts?

Aumentando a tensão!

Podemos improvisar um esquema onde usamos uma bateria de 12V para alimentar os motores através da ponte-H e ou outro par de baterias (24V) para alimentar o circuito de chaveamento. Funciona na teoria e na prática, mas convenhamos que fica complicado ter 3 baterias só por causa dessa tensão. Como citamos acima, os transistores FET são controlados por tensão não por corrente, sendo as correntes necessárias para o controle são MUITO pequenas. Como são correntes pequenas, vamos usar um truque muito legal de eletrônica. O circuito dobrador de tensão: doubler Esse circuito usa um truque com um oscilador baseado no integrado 555, muito comum e que custa 1 Real ou menos. O oscilador chaveia um conjunto de capacitores e diodos e nos entrega o dobro da tensão de alimentação! Era o que faltava! Na próxima página vamos unir os dois circuitos, o dobrador de tensão e os transistores, criando uma ponte-h que controla 75A (em teoria, calma o limite é menor)