Conduzindo Pequenos Motores DC

Os motores DC com escovas são utilizados em todas as indústrias, desde automotiva até aplicações industriais e produtos de consumo. Você pode encontrá-los em limpadores de para-brisa, máquinas de costura, furadeiras, compressores de ar e até em carrinhos de brinquedo. Enquanto algumas aplicações mais modernas utilizam motores sem escovas mais eficientes e de alto torque, estes requerem significativamente mais software e hardware eletrônico para funcionar. Por outro lado, os motores DC com escovas são muito baratos e eficazes, e podem ser úteis, se não indispensáveis, em alguns dos produtos que você fabrica. Se você tem um motor DC com escovas relativamente pequeno e quer fazê-lo funcionar tanto para frente quanto para trás, você precisa de uma meia-ponte (H-bridge).

Uma H-bridge permite que você altere a polaridade aplicada ao motor. Isso permitirá que você faça o motor funcionar tanto para frente quanto para trás, deixe o motor desconectado da energia, ou o curto-circuite para atuar como um freio elétrico. Embora você possa encontrar H-bridges totalmente integradas capazes de conduzir mais de 10 amperes, a maioria tem classificação para 4 amperes ou menos. Os pacotes de CI compactos só permitem uma certa dissipação de calor, o que limita a capacidade de corrente para os drivers. É mais comum encontrar CIs de driver de motor que têm duas saídas de motor em vez de apenas uma, e quatro controladores integrados em um único pacote também são bastante comuns. Ter vários drivers em um único pacote permite designs muito compactos em muitas situações, já que a maioria dos produtos industriais, automotivos ou de consumo usam mais de um motor.

Bons controladores de H-bridge integrados permitirão limitação de corrente digital ou pelo menos permitirão que os limites de corrente sejam definidos pelo resistor. O controlador integrado no driver então usará modulação por largura de pulso (PWM) para conduzir o motor enquanto mantém a corrente abaixo do limite definido. Esta é uma ótima maneira de proteger o drive, motor, PCB e potencialmente também a bateria contra danos. Quando um motor DC está travado, ele é essencialmente um curto-circuito direto, o que pode levar a desenhos de corrente muito altos que poderiam rapidamente danificar o motor, driver ou trilhas e conectores que não são projetados ou classificados para a carga de corrente.

Especificações a Considerar

Ao procurar por uma H-bridge, há várias especificações críticas que irão restringir as opções para a sua aplicação.

R_DS(on) - Resistência Dreno-Fonte Ligado

A resistência do FET é uma especificação crítica, pois está diretamente relacionada à quantidade de energia perdida como calor no circuito integrado. Se o pacote não puder remover calor rapidamente o suficiente, o circuito integrado pode entrar em um modo de autoproteção, ou liberar sua fumaça mágica. Independentemente da corrente nominal do dispositivo, o calor é o verdadeiro limitador. Se você tem uma área limitada ao redor do driver para a área de cobre atuar como um dissipador de calor, você precisará priorizar a especificação R_DS(on) para que o driver gere o mínimo de calor possível.

R_θJA - Resistência Térmica do Pacote

Falando em superaquecimento, a resistência térmica do encapsulamento é bastante crítica. Muitos drivers possuem uma almofada exposta na parte inferior, mesmo aqueles em pacotes com terminais, para ajudar a dissipar o calor da junção para o cobre na placa de circuito. A resistência térmica determinará a rapidez com que você pode remover o calor e, juntamente com a especificação RDS(on) e uma área conhecida de cobre para dissipação de calor, permitirá que você faça alguns cálculos para determinar se você atingirá a temperatura máxima da junção, T_J(max).

V_BB - Tensão de Alimentação do Motor

Esta deve ser uma especificação bastante autoexplicativa. Esta é a tensão máxima que pode ser fornecida ao driver para acionar o motor. Isso é diferente da tensão de controle lógico, que é tipicamente separada e muito menor. Certifique-se de que o V_BB seja maior que a tensão de pico da fonte de alimentação para o motor. Se você estiver alimentando o motor com uma bateria, considere sua tensão totalmente carregada/fresca em vez de sua tensão nominal.

V_IN - Tensão de Alimentação Lógica

Microcontroladores modernos geralmente têm um nível lógico de 1.8v ou 3.3v, mas alguns antigos podem estar operando em 5v. A maioria dos drivers ficará satisfeita com qualquer coisa positiva até cerca de 6 volts, no entanto, alguns são de 3.3v ou menos. Provavelmente, você estará conectando o VIN à mesma linha de tensão que seu microcontrolador.

I_OUT - Corrente de Saída

A corrente utilizável provavelmente será limitada pela temperatura da junção em vez da especificação I_OUT. No entanto, se você não estiver usando o motor continuamente, e estiver pulsando o motor de forma infrequente sem permitir que a junção aqueça, o limite de corrente de saída será algo a considerar. Com drivers que podem definir a corrente digitalmente ou por um resistor, esta especificação é o máximo que você poderá ajustar.

Tabela Verdade

A maioria dos drivers fica feliz em permitir que você faça um curto-circuito no motor através do driver para atuar como um freio elétrico, no entanto, alguns drivers não permitirão isso. Se você deseja frear eletricamente o motor por meio de um curto-circuito, verifique a tabela verdade no datasheet para garantir que configurar ambas as entradas em alto (ou baixo) irá frear o motor. Configurar ambas as entradas em baixo (ou alto) deve então ser um modo de deslizamento com cada terminal do motor desconectado da alimentação.

Design Esquemático

Conduzir uma ponte H integrada é relativamente fácil. O esquemático abaixo é para um Allegro A4954 e vem do meu controlador de alimentador de pista dupla Siemens SMT de código aberto dual lane feeder controller (você pode baixá-lo do GitHub para ver sua implementação). Há alguma capacitância de reserva nas entradas para garantir que a tensão permaneça estável para os outros componentes no circuito, bem como para alimentar o driver durante as altas demandas do motor quando está acelerando. Também estou usando potenciômetros para definir a corrente do motor. Cada linha de entrada tem um resistor de 33ohm na tentativa de proteger o microcontrolador no caso de uma ponte H queimar.

Você também vai querer um diodo de proteção entre os fios do motor e o driver, bem como um capacitor de desacoplamento para suprimir tensões altas transitórias geradas quando o motor para e para reduzir a interferência eletromagnética.

Selecionar e usar um driver integrado para motores com escovas é fácil, mas você deve prestar muita atenção às considerações térmicas no seu projeto. A maneira mais fácil de danificar o driver, ou ter ‘falhas’ intermitentes com o motor, é superaquecer o pacote, causando uma falha direta ou um desligamento térmico.

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