IRFZ44N: El MOS-FET de batalla para PWMPor:  Mario Sacco  @  sábado, 16 de enero de 2010  Nota vista 17042 veces |

Cuando necesitamos controlar cargas de manera variable, es decir, atenuando o incrementando su régimen de trabajo, de manera habitual se recurre a la modulación por ancho de pulsos (PWM, Pulse-Width Modulation). El control de velocidad de motores y la intensidad de iluminación incandescente (o de LEDs) son las aplicaciones por excelencia para el PWM. Pero, ¿qué es el PWM? ¿Y el IRFZ44N? En este artículo vamos a ver la forma más eficiente de controlar la velocidad de un motor o la intensidad de un grupo de luminarias con un transistor que no debe faltar entre los componentes esenciales de un experimentador como tú.

Ads By Google

Motorreductores IGNISMotoreductores, motores, fuentes. Fabricación e importación.Hasta ½Hp 0054-11-4838-0333__www.ignis.com.ar

Grupos Electrogenos CatDiesel o Gas, 11 a 17460kVA Aplicaciones de Emergencia y Prime www.catelectricpowerinfo.com/epla

Una de las técnicas más efectivas para conectar o desconectar una carga a una fuente de energía eléctrica ha sido siempre la utilización de simples llaves interruptoras manuales, o un relé activado por un circuito de control muy sencillo. Utilizar otros elementos para este trabajo (por ejemplo, transistores), acarrean necesidades de cálculos de corrientes a conmutar, tensiones de trabajo, y otras variables que una llave o un relé resuelven sin inconvenientes ni consecuencias. Sin embargo, cuando la aplicación requiere el control variable de una carga, comenzamos a imaginar un reóstato enorme y gigante, capaz de manejar muchos amperios y con la capacidad de disipar grandes cantidades de temperatura. Por supuesto que así no se resuelve la situación sino que se emplea una técnica muy sencilla y práctica llamada PWM.

La manera tradicional de conectar una carga es a través de un interruptor o el contacto de un relé

Pongamos como ejemplo que queremos hacer trabajar a un motor de 12Volts a la mitad de su régimen nominal. Lo primero que a muchos se le viene a la mente es aplicarle 6Volts de alimentación. Sin embargo, en la vida real, un motor de levalunas de coche, o un motor que impulsa una bomba de líquido refrigerante en una maquinaria, que debe tener su temperatura de trabajo controlada, no serían capaces de moverse del modo esperado al actuar de este modo. Muy por el contrario, quedarían inmóviles sufriendo un incremento notable de temperatura al ser atravesados por una corriente que no logra movilizar el eje en rotación debido a la carga que el motor tiene acoplada y debe impulsar. Si en cambio aplicamos por un pequeño lapso de tiempo la tensión de alimentación de 12Volts (la nominal de trabajo del motor del ejemplo), éste comenzaría a girar, o haría el intento de hacerlo, hasta volver a detenerse.

Si aplicamos muchos impulsos en forma reiterada, es decir, conectar – desconectar la alimentación varias veces en un segundo, el motor comenzaría a girar y por la propia inercia del sistema acoplado a su eje, se mantendría en marcha según el régimen de eventos de conexión – desconexión que le apliquemos durante un segundo. El método PWM basa su funcionamiento en este principio. En conectar de manera controlada y durante tiempos ajustables la alimentación, en este ejemplo a un motor, para de este modo poder variar la velocidad sin

perder capacidad de tracción, o fuerza. También encontraremos algunos textos que utilicen el término “torque” para esta propiedad motriz. La mejor manera entonces es disponer de una llave o relé controlados de manera inteligente y que conecten – desconecten la carga muchas veces en un segundo. Pero, ¿cuántas veces es lo aconsejable?

Conmutando la alimentación de una carga podemos lograr un régimen de trabajo variable

En una aplicación de iluminación, si conmutamos (conectamos - desconectamos) la tensión de alimentación menos de 20 veces por segundo, podemos llegar a notar parpadeos molestos a la vista y en el caso de un motor quizás podamos observar o percibir, un accionar muy irregular cual si fuese a los golpes o con impulsos que pueden generar problemas mecánicos a largo plazo, además de entregar una marcha desagradable e incorrecta. Si en cambio elevamos la frecuencia de conmutación por encima de las 50 activaciones por segundo para lograr una marcha estable, caeremos en el problema de comenzar a generar sonidos audibles provocados por el bobinado del motor.

Recuerda que el espectro de audición humana se establece entre los 20 ciclos por segundo y los 20 mil. (20Hz. – 20.000Hz.) Por supuesto que el bobinado de un motor no se comportará como un parlante o altavoz tan efectivo como para abarcar toda esta gama de frecuencias con absoluta fidelidad, pero existirán segmentos de resonancia donde algunas frecuencias hagan vibrar los bobinados más que otras, provocando un desagradable sonido que no debiera existir.

Si analizamos este razonamiento, llegamos a la conclusión que para obtener un funcionamiento suave, sin golpes, parpadeos ni sonidos extraños, debemos trabajar con frecuencias superiores a las que un bobinado de motor pueda “resonar”. Estas frecuencias se ubican, en la mayoría de los casos, por encima de los 10Khz. Una vez encontrada la frecuencia apropiada de funcionamiento para nuestro sistema, observaremos que quizás sean demasiadas conexiones en un segundo para la velocidad mínima deseada. Digámoslo de este modo: es probable que el motor gire demasiado rápido y nosotros necesitemos una velocidad menor. Bajar la frecuencia de conmutación es impracticable porque comenzarían los ruidos, entonces, ¿qué opción nos queda?: El PWM. Variar el ciclo de trabajo de la señal conmutada que sirve de activación del sistema. Manipular el ancho del impulso de conexión a la carga.

De este modo, podemos trabajar con frecuencias tan altas como 10Khz. y obtener un ancho de impulso del 1% (o menor) de la señal. A medida que este ancho del impulso comienza a aumentar, la energía promedio que se entrega a la carga también lo hace, pudiendo ser calculada y controlada de manera muy precisa. En el caso de utilizar un microcontrolador, obtendremos mediante su programación, una secuencia de “unos” y “ceros” que respetarán una frecuencia fija pero que pueden tener un ciclo de trabajo variable. Este término, también conocido como Duty, hará variar el ancho del impulso de conexión para obtener así un funcionamiento controlado desde la detención absoluta hasta la marcha a máxima potencia. Para esto, dentro de la programación del microcontrolador, asignaremos una variable al ciclo de trabajo o duty, que será del tipo BYTE y podrá adquirir valores entre 0 y 255. Para un duty igual a cero, el motor estará detenido. Lo mismo que para un valor de 1 o 2. A pesar de ser impulsos enviados al motor que poseen su tensión nominal de trabajo y que se ejecutan a una frecuencia de más de 10Khz., no tendrán el ancho suficiente para

entregar la energía necesaria que el motor necesitaría para comenzar a girar, o la luminaria comenzar a encender.

La acumulación de tiempos de encendido nos brindará una tensión promedio, la que será ajustable según el software del microcontrolador

Si en cambio incrementamos el valor de la variable duty a 100, la relación será 100/255 = 0,392 = 39%. Con este nivel de energía aplicada al motor podemos llegar a alcanzar el esfuerzo suficiente como para movilizarlo y mantenerlo funcionando en un régimen aproximado al 40% de la velocidad máxima. Por otro lado, debemos tener en claro que al momento de realizar un programa dentro de un microcontrolador, el desarrollador puede dar marcha al sistema con un duty máximo (255) durante algunos instantes para obtener un arranque a máxima potencia para luego descender de manera suave y progresiva al 40% antes elegido, o también puede hacerlo de manera abrupta, de un instante a otro, aprovechando que no se notará una disminución brusca en la velocidad gracias a la inercia mecánica del sistema acoplado al eje del motor. Para el caso de una luminaria, esta variación brusca no podrá disimularse, pero si el arranque a un duty

máximo es lo suficientemente corto, el fenómeno no alcanzará a notarse. De todos modos, en el caso de las luminarias siempre será deseable iniciar con baja potencia para luego incrementarla, es decir, a la inversa de los motores eléctricos. Por lo tanto, el PWM es una herramienta que posee el desarrollador/programador para variar el régimen de trabajo de motores o luminarias con la mayor eficiencia posible.

Para el tipo de conmutación mencionado hasta aquí y para obtener un funcionamiento satisfactorio a una frecuencia tan elevada, una llave mecánica o un relé se vuelven imposibles de utilizar. Es aquí donde hace su presentación el IRFZ44N. ¿Qué es el IRFZ44N? Es un transistor de tecnología MOS-FET (Metal–Oxide–Semiconductor – Field Effect Transistor) que posee destacadas características que lo hacen ideal para este tipo de aplicaciones. Queremos también aclarar que PWM se puede realizar con transistores bipolares (NPN - PNP), con tiristores, triacs, o IGBT según la conveniencia de la aplicación, es decir, el PWM no se hace sólo con un transistor MOS-FET como veremos ahora sino que puedes encontrar aplicaciones que utilizan sistemas electrónicos de conmutación muy variados y como mencionamos antes, ajustables a las necesidades de la aplicación.

El IRFZ44N en su hoja de datos

Entre las características más destacadas de este transistor encontramos que es capaz de manejar corrientes de hasta 50 Amperes ofreciendo una resistencia tan baja como 0,017 Ohms. Esto permite un régimen de trabajo extraordinario ya que trabajando al máximo de sus posibilidades no desarrollará una potencia mayor a los 45 Watts. Nada extraordinario para un generoso disipador que pueda irradiar el calor generado por semejante corriente circulando a través del dispositivo. Para que tengas una idea, trabajando con 12 Volts, una lámpara incandescente de 100W consumirá 8,33 Amperes. Es decir, la sexta parte de sus posibilidades extremas y claro está, a 100W, es decir, a la potencia máxima o a un duty de 255.

Una sencilla y práctica explicación del funcionamiento de un transistor MOS-FET puede resumirse a comprender el comportamiento de la circulación de corriente dentro del transistor. Al aplicar una determinada tensión sobre la compuerta, puerta o Gate (positiva respecto a GND), se genera dentro del transistor un campo eléctrico que permite la circulación de corriente entre el terminal identificado como Drain y el terminal Source. Tan simple como eso. Al aplicar tensión al Gate, el campo eléctrico aporta huecos o lagunas, hecho que favorece y activa la circulación de electrones entre Drain y Source. Cuando la tensión en Gate se interrumpe o se coloca a un bajo potencial, la corriente entre Drain y Source se interrumpe. Tenemos de este modo una llave electrónica comandada por tensión (no por corriente, atentos a este punto) que no tendrá inconvenientes en conmutar a frecuencias tan altas como las que necesitamos para controlar una carga.

El campo eléctrico que genera el Gate, "abre" el canal de conducción entre Drain y Source

La tensión mínima de Gate para que el transistor comience a conducir (según su hoja de datos que encontrarás al final del artículo) está ubicada entre 2 y 4 Volts mientras que la máxima tensión aplicable respecto al terminal Source, es de 20 Volts. Con 10 Volts de tensión sobre el Gate el transistor alcanza la mínima resistencia entre Drain y Source. Si se sobrepasa la tensión Vgs (tensión de Gate respecto a Source) máxima de 20 Volts el transistor se rompe y si no se alcanza la tensión mínima de 2 a 4 Volts, el transistor no entra en conducción. Una situación a destacar es que si trabajamos siempre con 5 Volts, estaremos sobre el límite de activación del transistor, mientras que si trabajamos con mayor tensión sobre el Gate lograremos un mejor desempeño con menor disipación de calor al ofrecer menor resistencia a la circulación de corriente entre Drain y Source.

IRFZ44N - Un "gigante" en encapsulado TO-220

Otro de los detalles importantes a considerar en un diseño que utilice PWM con un MOS-FET es el manejo de los tiempos y las formas de los flancos de subida y bajada de la señal aplicada al Gate. No respetar con fidelidad la forma de onda con la que se debe activar el Gate de un MOS-FET puede llevarte a disipaciones anormales de temperatura y funcionamientos al límite de los márgenes de seguridad térmica. El circuito mostrado permite un óptimo trabajo del transistor. En cambio, si la alimentación desciende a 5 Volts (puede suceder por diseño) la resistencia de Gate debe bajar a valores entre 2,2 y 5 Ohm ya que la tensión de activación del Gate estará al límite de los valores mínimos de operación. Recuerda observar siempre la hoja de datos para lograr un diseño apropiado.

Circuito clásico de aplicación del IRFZ44N

Con esta sencilla aplicación puedes controlar la intensidad de iluminación, la velocidad de motores para tu robot o tu próxima CNC sin mayores inconvenientes. Cambiando los valores de una simple variable BYTE dentro de un microcontrolador, tienes el problema resuelto. Tu genialidad, creatividad e imaginación, determinarán el método a aplicar para realizar la tarea de control dentro del programa. Mientras tanto, ya tienes algo muy importante: El hardware y la explicación de su funcionamiento aplicando el IRFZ44N, un transistor que puede brindarte infinitas satisfacciones si lo utilizas de manera correcta como hemos visto en este artículo. ¿Ya has pensado en que aplicarás el PWM? ¿En iluminación? ¿En motores? Cuéntanos tus experiencias. Esperamos, como siempre, tus enriquecedores comentarios.

8 Canales de PWM con un 16F628APor:  Mario Sacco  @  sábado, 21 de noviembre de 2009  Nota vista 15777 veces |

Luego del mítico 16F84A, el microcontrolador que le sucede en complejidad es el también popular 16F628A. Con su aparición en el

mercado, marcó un avance significativo por sobre el 16F84A en incontables aspectos, uno de ellos es la incorporación de un módulo CCP (Capture/Compare/PWM). La posibilidad de incorporar en forma nativa un generador de señal PWM simplificó mucho los trabajos al momento de “emular” una salida analógica desde el chip. Hasta aquí todos habían sido 1’s y 0’s, los LEDs sólo encendían o apagaban y los motores funcionaban o no, mientras que necesitabas tener la posibilidad de atenuar la iluminación de un LED, variar la velocidad de un motor y otras aplicaciones que requerían una urgente salida analógica. De manera muy inteligente, y sin dejar de trabajar con niveles lógicos, veremos los métodos más frecuentes para aprovechar no sólo una salida PWM, sino ocho a partir de un microcontrolador sencillo y muy económico.

Ads By Google

Grupos Electrogenos CatDiesel o Gas, 11 a 17460kVA Aplicaciones de Emergencia y Prime www.catelectricpowerinfo.com/epla

Hiwin Linear MotorHigh speed, Large thrust, goods of competitive price ! www.HIWINMIKRO.com.tw

Con el trabajo de hoy veremos de manera muy sencilla y didáctica, algunas posibilidades que existen dentro del mundo de los microcontroladores que te ayudarán a comprender muchos conceptos que son importantes en la fase inicial, cuando nos decidimos a trabajar con estos dispositivos. Por supuesto que lo primero que debemos aclarar y definir es el concepto de PWM. ¿Qué es el PWM? Pulse-Width Modulation o lo que en castellano significa modulación por ancho de pulsos. Es decir, partiendo de una señal de amplitud y frecuencia fija, vamos a proceder a variar el ancho del semiciclo activo, comprimiéndolo o expandiéndolo para así lograr transportar dentro de la señal una información variable que utilizaremos para diversas aplicaciones según la necesidad del desarrollo que emprendamos.

Distintos ciclos de trabajo para una misma frecuencia. Eso es la escencia del PWM

En la gráfica vemos claramente que, manteniendo una frecuencia constante (representada por el Período) de la señal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador, podemos aplicar una variación del tiempo de duración de la mencionada salida en estado alto (referencias de color rojo). De esta manera, si la variación es en aumento, incrementará el valor promedio de la tensión aplicada en el dispositivo conectado (referencias de color verde). En el caso de la aplicación de un ancho de pulso mínimo, observaremos una salida de tensión promedio casi nula, por lo que si tenemos allí conectado un LED, el mismo lucirá prácticamente apagado. Por el contrario, si el ancho de pulsos que le imponemos a nuestra señal es el máximo posible, el mismo LED brillará en toda su intensidad.

Declaración de variables y alias a usar en el programa

Con este artilugio electrónico estaremos acercándonos mucho a una salida analógica con la que podremos variar velocidades de motores, intensidad de brillo de un conjunto de LEDs y hasta las aplicaciones más interesantes y divertidas que se nos ocurran. La idea de funcionamiento inicial es muy simple y se sustenta en el funcionamiento del Timer0 del microcontrolador. Habilitando el overflow del TMR0 (T0IE = 1) y manejando su incremento con una variable BYTE, podemos jugar con valores que irán desde 0 hasta 255, donde desbordará y recomenzará el ciclo de cuenta. Por lo tanto, lo primero que haremos es (dentro del programa fuente) habilitar las interrupciones y darle un marco funcional y operativo ajustando los registros pertinentes para un funcionamiento correcto del TMR0.

Registros e interrupción

Una vez que la interrupción (PWM_INT) esté preparada para acumular los valores que comenzarán a aparecer en la variable DUTY0 para finalmente entregar el resultado en el puerto B (sección del programa indicada en rojo difuso), ya estaremos listos para organizar y preparar la variable DUTY0 con valores comprendidos entre 0 y 255. Entre las más sencillas y prácticas para experimentar dentro de la mayoría de los programas que manejan el lenguaje BASIC, se encuentra la instrucción POT. Esta sencilla instrucción será capaz de leer un potenciómetro, una resistencia variable del tipo preset, un termistor, un LDR, un NTC, un PTC y cualquier otra resistencia que no supere los 50K.

Conexión del potenciómetro y ejemplo de rutina POT

La aplicación del circuito es muy sencilla y sólo se necesita un capacitor en serie con la resistencia variable. Mediante la instrucción POT, el microcontrolador mide el tiempo de descarga del capacitor, tiempo que será directamente proporcional a la resistencia que adopte P1. La sintaxis del ejemplo mostrado en la gráfica devolverá un valor máximo de 100 y lo cargará en la variable VAR1. Esto se conectará al pin 0 del puerto B y, a cada vuelta del lazo, estará informando al PIC si la resistencia ha variado o no. En nuestro caso, la instrucción llevará un límite de 255 para cargar al máximo la variable DUTY0. Veremos el funcionamiento del sistema de la siguiente forma:

Como habrás apreciado en el video, el funcionamiento es muy claro y sencillo y nos invita a profundizar en la experimentación. La primera posibilidad clara es la de hacer un contador de 1 a 255 por pasos de 1 en forma ascendente y luego en forma descendente. De esta forma, el LED que estamos utilizando para el ensayo variará entre máximos y mínimos y a ese comportamiento podemos darle mayor o menor velocidad según el ajuste del retardo que se ubica entre cada lazo FOR – NEXT.

En el final del ensayo con el hardware, completaremos la conexión de todo el puerto B con 8 LEDs indicadores a la salida e implementaremos un recorrido secuencial que, al ubicar los 8 LEDs en forma de círculo, nos permitirá observar un agradable efecto que, como en el caso anterior, podemos variar en velocidad para darle un poco de “vértigo” al movimiento. Pero es bueno dejarlo en la etapa inicial a la velocidad que te lo entregamos para poder apreciar el efecto “cuasi-analógico” que ofrecen los LEDs. Observarás en el código fuente la implementación de un comando que no habíamos utilizado hasta ahora y es el comando Complemento “ ~ ”

Listado para las 8 salidas PWM

Aquí necesitaremos 8 acumuladores y 8 variables DUTY; la función del “complemento” será muy sencilla de entender y muy útil. Como todos sabemos, el complemento de 1 es 0, de 11 es 00, de 1010101010 es 0101010101, y así con cualquier número binario. Por lo tanto, y para

dar un ejemplo, mientras DUTY5 vaya decrementando su valor desde 255 hasta 1, DUTY6 se irá incrementando al mismo ritmo desde 1 a 255. Esto es muy interesante de ver y ensayar porque permite una transición suave desde un LED al contiguo. Si no se utiliza esta línea de código, que puedes eliminar para notar la diferencia, observarás que, cuando se apaga totalmente DUTY5, se enciende de golpe y a pleno DUTY6 siguiendo así toda la vuelta. En cambio, de esta forma, mientras uno se apaga el otro comienza a encenderse y la transición es más suave y agradable. Observa el video:

Por supuesto que el circuito es tan sencillo y simple que no merece aclaraciones especiales. Al 16F628A debemos alimentarlo con una fuente de alimentación de 5Volts y aplicarle en su conexión de oscilador un cristal de cuarzo de 4Mhz. Si lo que deseas es construir un gadget llamativo, dinámico y con luces en movimiento, puedes optar por una construcción a partir de una batería de 9Voltios y un 7805, sacando el ejemplo del popular artículo del POV. Luego, una resistencia de 4K7 para el MCLR por pin 4, más ocho resistencias de 220 ohms y 8 LEDs del color que gustes y quedarás como un rey regalando a tus chicas un presente navideño tan original. Seguramente, no podrás evitar ganar el mote de “friki del año”, pero sin duda alguna muchos te pedirán una demostración de lo que es capaz de hacer tu maravilla.

A toda esta aplicación que hemos visto se le puede agregar conexión RS232 al ordenador para variar parámetros como velocidad, efectos de transición de encendido, selección de salidas activadas y muchas aplicaciones más. También puedes utilizar este sistema de control PWM para cargas importantes de varios amperes, donde puedas manejar motores y/o luminarias incandescentes de varias decenas de watts. Para esto es importante que utilices un circuito optimizado con un MOSFET de potencia que pueda manejar una carga de varios amperes. Un ejemplo que te recomendamos sería un circuito como el siguiente:

Circuito sugerido para exitar cargas a través de un transistor MOSFET

En general, la frecuencia de PWM depende de la aplicación. Sin embargo, hay dos reglas de oro en lo que respecta a la frecuencia del PWM. La primera es que a medida que la frecuencia aumenta, también lo hace la demanda de corriente debido a pérdidas propias de un circuito conmutado. La segunda es que la capacitancia e inductancia de la carga tienden a limitar la respuesta en frecuencia del circuito. En condiciones de bajo consumo, es una buena idea utilizar el mínimo de frecuencia posible con la finalidad de reducir pérdidas. En los circuitos, la capacitancia y/o inductancia que intervienen son factores que deben ser considerados para la correcta elección de la frecuencia del PWM.

Los sistemas operados por PWM son utilizados frecuentemente en el control de motores debido a la eficacia de los sistemas conmutados en contraste con los de regulación lineal de velocidad. Un aspecto importante a la hora de elegir la frecuencia de PWM para el control de un motor es la respuesta del motor ante cambios en el "DutyCycle" (ciclo de trabajo) del PWM. Un motor va a tener una respuesta más rápida a cambio de un "DutyCycle" a frecuencias mayores. Otra consideración que no debes dejar de tener en cuenta es el ruido provocado por el motor. Los motores de corriente continua del tipo "brushed" (con escobillas y colector) hacen un ruido intolerable dentro del rango audible cuando son llevados a altas frecuencias.

Para eliminar este fenómeno, hay que utilizar este tipo de motores a frecuencias mayores que los 4kHz. Recordemos que los humanos pueden escuchar frecuencias hasta los 20kHZ; sin embargo, la mecánica de los motores va a atenuar el ruido en virtud de su imposibilidad de resonar a tan altas frecuencias.

Es muy importante que conozcas las posibilidades que te brinda este artículo de poder obtener hasta 8 salidas PWM con un ajuste individual para cada salida en lo que refiere a su factor de trabajo (DutyCycle). Esta aplicación va mucho más allá que un simple juego de luces en forma de círculo o un emulador del efecto de Knight Rider, sino que estás ante un verdadero sistema de control que, aplicado apropiadamente, puede ayudarte a resolver muchos problemas de control. Además, PWM se puede lograr hasta con 555, pero del modo en que te lo hemos presentado, todas las salidas pueden mantener una probable sincronía requerida por la aplicación, hecho que con los 555 eso sería impensado.

Por otra parte, también puedes utilizar el/los módulos CCP que traen en forma nativa los microcontroladores, pero nunca alcanzarías a sumar ocho unidades a un costo tan irrisorio como el circuito propuesto. Es decir, un PIC que traiga más de dos módulos CCP, puede costar muchos euros, mientras que tú podrás controlar todo un mecanismo complejo con muy poco gasto y, además, siempre tendrás la posibilidad de hacer trabajar a este 16F628A (que controlará tus LEDs RGB o tus motores) como esclavo de otros procesadores más específicos abocados a cualquier función especial. Podemos afirmar en pocas palabras que el circuito propuesto hoy es un verdadero expansor de salidas PWM para cualquier sistema. Disfrútalo.