Puente H Con Mosfet

PUENTE H Yudy Estefany Cedeño Gómez, William Moriano Acosta, Diego Albarracín Ayala Electrónica de Potencia, Grupo “C” Universidad de Pamplona Km 1 vía Bucaramanga Pamplona Norte de Santander, Colombia Tel: (57-7)5685303, Fax:5685765, Ext:114

Abstract The pre-design of a bridge is carried out in the following work H we can change the direction of rotation of a DC motor using push buttons and logic gates, also using transistors as an essential part of the circuit. MOSFET transistors and resistors are used for this assembly. In the design, theoretical calculations are made to obtain resistance values, such as the start of the current that supports a gate so that it is possible to manage it through the gate, and to polarize the MOSFET in an active way, for which the appropriate value must be found. of R. INTRODUCCIÓN El puente H es muy fácil de implementar, este trabaja con tan solo 4 transistores generalmente 2 canal N y 2 canal P, además de 2 BJT de canal N y una fuente de alimentación, su funcionamiento es muy sencillo, la conflagración que se establece hace que un transistor se coloque en corte y el otro en saturación lo que enviara un voltaje especifico y otro voltaje nulo a la base de la otra pareja de transistores que permitirá que el motor se polarice con positivo y negativo, si queremos que el motor gire en otro sentido cambiamos las condiciones de corte y saturación en los otros transistores y el motor invertirá su giro. El tipo de transistores a usar dependerá de la potencia que tenga el motor y la corriente que este consuma.

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Determinar el calentamiento por la potencia de los dispositivos electrónicos para su protección.

MATERIALE -

2 MOSFET IRF530. 2 MOSFET IRF9530. 1 fuente variable de dos canales. 4 caimanes. 1 M de cable para puentear. NE555. Resistencias de 10KΩ. Resistencias de 1KΩ. Diodos 1N4007. Diodos led. 2 borneras de 2 pines.4 2 pulsadores. 4 Disipadores.

PRE DISEÑO: Diseñar un circuito por el cual podamos hallar la Kn mediante la variación de tensión en VGG, para estos tipos de circuitos se requiere un nivel medio de aprendizaje para el buen uso de los MOSFET.

OBJETIVO GENERAL: -

Diseñar el puente H con mosfet que soporten la corriente de 3.2 A como arranque.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS: -

Calcular el Kn y Kp de los mosfet para el cálculo posterior a las resistencias. Realizar pruebas con la fuente para su funcionamiento.

Fig. 1 Circuito MOSFET IRF510. En la figura 1 se puede apreciar el circuito correspondiente a laboratorio donde le conectamos dos resistencias en serie de 10W y 10 Ω y una de 7Ω con la misma potencia donde el consumo de corriente es de:

𝐼𝐷𝑚á𝑥 =

12𝑉 = 0.445𝐴 27Ω

Por lo que se deduce que la corriente máxima que circula entre drenador y surtidor, si revisamos el datasheet del IRF510 dice que:

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Fig. 2 DataSheet IRF510.

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Por lo tanto, el IRF510 trabajara con 1/9 partes de su trabajo en máximo como lo demuestra la fig. 2.

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Las resistencias tienen un máximo de soporte de 10W por eso se requiere hacer un análisis de su potencia máxima: Donde la potencia máxima de disipación es de 5.333W en el cual no hay necesidad de hacer los cálculos de disipación ya que el trabajo para el MOSFET es bajo.

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Fig. 3 Circuito MOSFET IRF630 Para el siguiente diseño solo se requiere el cambio del MOSFET IRF510 por el IRF9630 y ver el datasheet para hacer el debido calculo de potencia de disipación si lo requiere.

Fig. 4 DataSheet IRF9630 Por lo tanto, el MOSFET no requiere de disipador ya que está muy por debajo del rango de trabajo máximo. PROCEDIMIENTO: -

Montar en la protoboard el circuito dado en el pre diseño.

Conectar los multímetros en sus respectivos lugares, se debe tener en cuenta el circuito este funcionando en VDC. Conectar a fuente el MOSFET, rectificar que las fuentes variables estén en 0 V antes de encender la fuente. Variar el voltaje en VGG hasta encontrar el voltaje de umbral. Ya obtenido el voltaje de umbral se comienza a aumenta el voltaje de 0.1V en 0.1V toma de datos de VGS, VDS, VRD. Se varia el voltaje hasta que se encuentre que VRD este próximo a VD=12V y sea estable. Calcular ID sabiendo que se aplica la ley de ohm done ID=VRD/RD Graficar en la tabla de Excel ID y VGS. Hallar la ecuación polinómica de segundo grado. Con la ecuación polinómica se encuentra Kn, recuerde que Ron tiene que ser superior a 0.95 y máximo 1 de lo contrario repita el procedimiento. Se repite el proceso con el otro MOSFET.

VGG [V] 2.5

VGS [V] 1.49

VRD VDS [V] [V] 3.7037E-05 0.001 11.99

2.6 2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4 4.1 4.2 4.3 4.4

1.53 1.58 1.67 1.71 1.77 1.87 1.9 1.94 2.04 2.11 2.15 .19 2.27 2.33 2.4 2.45 2.5 2.59 2.63

3.7037E-05 7.4074E-05 0.0003333 0.0005925 3 0.0014074 9 0.0050370 1 0.0092592 4 0.0155555 6 0.0533333 6 0.1555555 3 0.2444444 6 0.3333333 4 0.4259259 3 0.4329629 3 0.4340740 6 0.4344444 7 0.4348148 4 0.4351851 1 0.4355555 9 6

ID [A]

0.001 0.002 0.009 0.016 0.038 0.136 0.25 0.42 1.44 4.2 6.6 9 11.5 11.6 9 11.7 2 11.7 3 11.7 4 11.7 5 11.7 6

11.99 9 11.98 11.91 11.98 11.96 4 11.86 2 11.75 4 11.58 10.56 7.8 5.4 3 0.5 0.31 0.28 0.27 0.26 0.25 0.24

0.4355555 11.7 .24 0.4355555 6 11.7 0.24 6 6 0.4355555 11.7 0.24 6 0.4355555 6 11.7 0.24 6 0.4359259 11.7 0.23 6 0.4359259 11.7 0.23 3 7 0.4359259 11.7 0.23 3 7 0.4359259 11.7 0.23 3 7 0.4359259 11.7 0.23 3 0.4359259 11.7 0.23 3 Tabla 1. Mediciones MOSFET7 IRF510 3

4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 5 5.1 5.2 5.3 5.4

2.69 2.75 2.84 2.88 2.96 3.02 3.39 3.52 3.58 3.59

Fig. 5 Curva para hallar Kn del MOSFET IRF510

VGG [V] VGS [V] 5 3.08 5.1 3.11 5.2 3.17 5.3 3.28 5.4 3.33 5.5 3.37 5.6 3.42 5.7 3.49 5.8 3.57 5.9 3.63 6 3.69 6.1 3.77 6.2 3.83 6.3 3.88 6.4 3.89

ID [A] 0.00004 0.00007 0.00011 0.00041 0.00063 0.00100 0.00170 0.00333 0.00767 0.01752 0.02537 0.09926 0.14074 0.19259 0.24815

VRD [V] 0.001 0.002 0.003 0.011 0.017 0.027 0.046 0.09 0.207 0.473 0.685 2.68 3.8 5.2 6.7

VDS [V] 11.999 11.998 11.997 11.989 11.983 11.973 11.954 11.91 11.793 11.527 11.315 9.32 8.2 6.8 5.3

6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 7 7.1 7.2 7.3

3.9 4 4.1 4.23 4.26 4.26 4.4 4.46 4.53

0.30000 0.37037 0.43185 0.43296 0.43333 0.43370 0.43370 0.43407 0.43407

8.1 10 11.66 11.69 11.7 11.71 11.71 11.72 11.72

3.9 2 0.34 0.31 0.3 0.29 0.29 0.28 0.28

Tabla 2. Mediciones MOSFET IRF510

Fig. 6 Curva para hallar Kn del MOSFET IRF510 Para los IRF9630

VGG VSG [v] [V] 22 2,965 21,9 3,054 28,1 3,162 21,7 3,2 21,6 3,2 21,5 3,3 21,4 3,4 21,3 3,5 21,2 3,6 21,1 3,64 21 3,74 20,9 3,82 20,8 3,91 20,7 4

VSD VRD ID [A] [V] [V] 26,84 0 0 26,8 0,003 0,000106 26,9 0,0077 0,000273 25,1 0,0099 0,003511 25 0,19 0,00673 24,8 0,42 0,0148 24,4 0,8 0,0283 23,8 1,4 0,0496 22,7 2,5 0,0886 21,4 3,7 0,131 19,17 5,9 0,209 17,2 7,8 0,276 14,5 10,5 0,372 11,64 13,2 0,468

20,6 20,5 20,4 20,3 20,2 20,1 20

4,07 4,16 4,24 4,33 4,4 4,48 4,56

9,05 6,17 2,58 0,6 0,46 0,39 0,34

15,9 18,9 22,1 24,1 24,3 24,4 224,4

0,563 0,6702 0,7836 0,854 0,861 0,865 0,686

20,2 20,1 20

4,4 4,48 4,56

0,46 0,39 0,34

24,3 24,4 22,4

0,861 0,865 0,565

Tabla 4. Mediciones MOSFET IRF9630

Tabla 3. Mediciones MOSFET IRF9630

Fig. 8 Curva para hallar Kp del MOSFET IRF9630 DISEÑO DEL PUENTE H

Fig. 7 Curva para hallar Kp del MOSFET IRF9630

VGG [v] 22 21,9 28,1 21,7 21,6 21,5 21,4 21,3 21,2 21,1 21 20,9 20,8 20,7 20,6 20,5 20,4 20,3

VSG [V] 2,8 2,96 3,15 3,24 3,28 3,3 3,4 3,5 3,6 3,64 3,74 3,82 3,91 4 4,07 4,16 4,24 4,33

VSD VRD ID [A] [V] [V] 25 0 0 24,9 0,003 0,00015 24,6 0,0077 0,00025 24,3 0,001 0,004003 24,1 0,2 0,00762 23,6 0,46 0,0152 23,1 0,92 0,0296 22,8 1,43 0,0512 22,3 2,54 0,088 19,7 3,76 0,146 19,17 6,01 0,222 17,2 7,6 0,29 14,5 10,3 0,372 11,64 12,8 0,468 9,05 15,2 0,563 6,17 18,4 0,6702 2,58 22,3 0,7836 0,6 24 0,854

Ya obtenido los valores reales de los Kn y Kp necesitamos saber cuáles son lo que valores en VGS para que nuestro mosfet conduzca a 3 amperios por lo tanto tenemos la ecuaciones, por lo tanto:

𝐼𝐷 = 𝐾𝑛(𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝐻 )2 Donde el Vth≈3V, donde nuestra corriente es ID=3A donde los cálculos serán. IRF510 C: 𝐾𝑛 = 1.432 , 𝑉𝑇𝐻 = 2.8𝑉 , 𝐼𝐷 = 3𝐴 𝑉𝐺𝑆 = (

𝐼𝐷 2 ) + 𝑉𝑡ℎ 𝐾𝑛

3 2 𝑉𝐺𝑆 = ( ) + 2.8 ≈ 7.2𝑉 1.432 Donde el valor mínimo para el VGS en en tensión es de 7.2 V. IRF510 D: 𝐾𝑛 = 1.578 , 𝑉𝑇𝐻 = 3𝑉 , 𝐼𝐷 = 3𝐴 𝑉𝐺𝑆 = ( 𝑉𝐺𝑆

𝐼𝐷 2 ) + 𝑉𝑡ℎ 𝐾𝑛

3 2 =( ) + 3 ≈ 6.4𝑉 1.578

Donde el valor mínimo para el VGS es de 6.4V Para el puente H se debe tener encuenta un control por el cual nosotros vamos a darle el sentido de giro y en nuestro sistema dimos análisis muy detallado del procedimiento con respectó a los mosfet para lo consiguiente tenemos quehacer un calculo para las resistencias de RA, RB, RC y RD en el cual vamos nos va a dar el control.

Donde necesitamos que nos consuma en la resistencia R4=10V, en cuanto a la corriente asumimos que es de 1mA, por lo tanto: 11𝑉 = 10𝐾Ω 1.091𝑚𝐴

𝑉𝑅4 =

Para la otra resistencia seria: 1𝑉 = 1𝐾Ω 1.091𝑚𝐴

𝑉𝑅4 =

Para el circuito del puente H tenemos que la corriente es muy elevada por lo tanto debemos calcular la disipación de calor. Donde la corriente de circulación es inferior a 3 A:

𝑅θja = 80

°𝐶 𝑊

𝑅𝐷𝑜𝑛 = 0.54Ω

𝑇Jmax = 150 °𝐶 𝑃D = 𝐼D 2 𝑅Don = 4.84𝑊 𝑇j = 𝑃D 𝑅θja + 𝑇a

Fig. 9 puente H en Proteus 8.7 Por lo tanto tenemos un circuito tal como el siguiente:

𝑇j = 4.84[𝑊] ∗ 80 ⌈

°𝐶 ⌉ + 25[°𝐶] 𝑊

𝑇j = 362.2°𝐶 𝐾=

𝑇j 𝑇jmax

=

362.2°𝐶 = 2.4146 150°𝐶

Como es el mismo circuito para ambos lados se tiene que colocar disipadores para los dos IRF510. Ahora se hace los procesos para los IRF9530.

𝑅θja = 80

°𝐾 𝑊

𝑅θja = 80

°𝐾 °𝐶 = −193.15[[ ] 𝑊 𝑊

𝑅𝐷𝑜𝑛 = 0.3Ω

𝑇Jmax = 150 °𝐶 𝑃D = 𝐼D 2 𝑅Don = 2.7𝑊 Fig. 10 juego de resistencias en Proteus 8.7. Donde las ecuaciones para función normal de las resistencias R3 y R4 que vienen siendo las mismas para el RA y RC o RB y RD: 𝑉𝑓 = 𝑉𝑅3 + 𝑉𝑅4

𝑇j = 𝑃D 𝑅θja + 𝑇a 𝑇j = 2.7[𝑊] ∗ (1933.15 ⌈

°𝐶 ⌉) + 25[°𝐶] 𝑊

𝑇j = −496.505°𝐶

𝐾=

𝑇j 𝑇jmax

=

−496.505°𝐶 = −3.31 150°𝐶

Donde K≤0.5 por lo tanto no requiere de disipador ya que su temperatura es levemente cálida. Para el control se hace con un circuito de PWM donde manda la señal con variable de velocidad.

- Para el funcionamiento exacto de los 2N2222 se requiere una corriente de base bastante grande pero que no dañe su funcionamiento, esto se hizo con el fin de trabaje en VCE aproximadamente cero para que no fluya la tensión de los mosfet. - El diseño de un puente H es una de las maneras más fáciles que se utiliza para controlar el sentido de giro de un motor DC, permitiendo así su fácil uso en la industria. BIBLIOGRAFIA: - AllDATASHEET [En linea] http://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/52964/FAIRCHILD/IRF630.html - AllDATASHEET [En linea] http://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/25882/SUTEX/IRF510.html

Fig. 10 circuito PWM en Proteus 8.7 Por lo tanto, el circuito en completo queda de la forma.

Fig. 10 circuito completo del puente H en Proteus 8.7 CONCLUSIÓN: - los parámetros para los mosfet de tipo N y tipo P son valores que comúnmente deben ser similares, pero en su trabajo varían una pequeña señal.