Sistema de control de motores de Corriente Continua
basado en el microcontrolador LM629

Cálculo del sistema I

Sistema de control de motores de Corriente Continua basado en el microcontrolador LM629
Cálculo del sistema

Capítulo VII

Especificaciones del equipo

En este apartado se van a exponer algunas especificaciones de los distintos dispositivos y teoría para el diseño y calculo del puente H y disipación, como son:

Propagación del calor.

Formas de transmitir calor.

Resistencias térmicas.

Temperaturas.

Potencia disipada.

Alimentación del puente H. ( de 10 a 65v )

Corriente max ( 8A )

Corriente min ( 4A )

MOSFET IRFP 250n

Utilizaremos el Mosfet IRFP 250N: Características (Ver anexo B)

- Vds 200V Tj -55 / +175 ºC tr 43ns

Rds(on) 0.075 Rjc 0.7 ºC/W tf 33ns

Id 30A Rcs 0.24 ºC/W

Cápsula TO-247AC Rja 40ºC/W

Consideramos una tensión de trabajo de 50% menos de la tensión del Mosfet de Vdss de 200V.

El montaje estará especificado para diversos motores, hasta una potencia max de 1500W.

Donde la corriente max que circulara por el puente H, será aproximadamente de

Si la alimentación especificada es de 10 a 65V, la Potencia máxima estará comprendida.

Para 10V

Para 65V

Realizado estos cálculos podemos asegurar que el Mosfet, estará trabajando por debajo de la Pmax que admite, con un margen de seguridad "DERATING" del 50%.


	Otra consideración que hay que tener en cuenta, es cuando el Mosfet trabaja con cargas inductivas (Motores).

	Las perdidas de conmutación de los Mostef, son muy difíciles de calcular por las capacidades que posee y en algunos casos estos cálculos son algo genéricos.

	Las bobinas se oponen al cambio brusco de corriente y producen picos de tensión V=L di/dt (escalón infinito de tensión).
    Vds tendrá que ser mayor que Vcc para que cuando se produzca el pico este no afecte a las destrucción del Mosfet, Vds es facilitada por el fabricante en las hojas de características.

	Rds(on) cuanto mas pequeña sea menor perdías de conducción tendremos.

	Para amortiguar los picos de tensión se colocaran un diodo Schotky como "red Snubber"; éste ira colocado en paralelo entre los terminales Dran (Drenador) y Source (Fuente) del Mosfet.

Cálculo del disipador

Temperatura de funcionamiento (0 a 70ºC)



	Al trabajar con Mosfet, estos provocan unas perdidas de potencia y estas serán durante el tiempo de conmutación.

		( De conducción a Bloqueo (tr o trr)........Grandes.
		( De Bloqueo a Conducción (trf)..............Pequeñas.

	Las perdidas de potencia de traducen en calor (Se eleva la energía cinética de las moléculas y estas producen un aumento de temperatura sobre el dispositivo) si esta aumenta en exceso puede producir daños en el dispositivo hasta la destrucción.

	Esta consideración hace necesario que ténganos presente la refrigeración, ya que un incremento excesivo puede provocar la reducción de la vida útil del dispositivo o su destrucción, por ello es necesario refrigerar (evacuar calor).

	En principio la evacuación del calor depende del encapsulado del componente, pero a menudo es insuficiente, hay que elegir un encapsulado adecuado o suplementar este dotándolo de mayor superficie y volumen.

	La capacidad térmica de un dispositivo es la medida de ritmo de cambio de la energía térmica en temperatura. Da una idea del ritmo de cambio de temperatura que puede soportar el componente.

	Los disipadores mejoran la capacidad térmica de los dispositivos, dado que el calor se genera en el interior del componente y es preciso evacuarlo al exterior.

Introducción a los disipadores de calor

Propagación del calor

	El estudio térmico de los dispositivos de potencia es fundamental para un rendimiento óptimo de los mismos. Esto es debido a que en todo semiconductor, el flujo de la corriente eléctrica produce una pérdida de energía que se transforma en calor. 

	El calor produce un incremento de la temperatura del dispositivo. Si este incremento es excesivo e incontrolado, inicialmente provocará una reducción de la vida útil del elemento y en el peor de los casos lo destruirá. 

	En Electrónica de Potencia la REFRIGERACIÓN juega un papel muy importante en la optimización del funcionamiento y vida útil del semiconductor de potencia. 

	Propagación del calor:

	En todo semiconductor el flujo de la corriente eléctrica produce una pérdida de energía que se transforma en calor. Esto es debido al movimiento desordenado en la estructura interna de la unión. 

	El calor elevará la energía cinética de las moléculas dando lugar a un aumento de temperatura en el dispositivo; si este aumento es excesivo e incontrolado provocará una reducción de la vida útil del dispositivo y en el peor de los casos su destrucción. 

	Es por ello que la evacuación del calor generado en el semiconductor es una cuestión de gran importancia para asegurar el correcto funcionamiento y duración del dispositivo. 

	La capacidad de evacuación del calor al medio ambiente podrá variar según el tipo de cápsula pero en cualquier caso será demasiado pequeña, por lo que necesita una ayuda adicional para transferir el calor disipado mediante un dispositivo de mayor volumen y superficie conocido como disipador de calor, el cual hace de puente para evacuar el calor de la cápsula al medio ambiente.

	Para este proceso existen varias formas de trasmitir el calor al exterior (Al ambiente).

	La experiencia demuestra que el calor producido por un foco calorífico se propaga por todo el espacio que lo rodea. Esta transmisión del calor puede producirse de tres formas:

		1.- CONDUCCIÓN: 

	Es el principal medio de transferencia de calor. Se realiza por la transferencia de energía cinética entre moléculas, es decir, se transmite por el interior del cuerpo estableciéndose una circulación de calor. La máxima cantidad de calor que atravesará dicho cuerpo será aquella para la cual se consigue una temperatura estable en todos los puntos del cuerpo. 
En este tipo de transmisión se debe tener en cuenta la conductividad térmica de las sustancias (cantidad de calor transmitido por unidad de tiempo, superficie, gradiente de temperatura).

		2.- CONVECCIÓN: 

	El calor de un sólido se transmite mediante la circulación de un fluido que le rodea y este lo transporta a otro lugar, a este proceso se le llama convección natural. Si la circulación del fluido está provocada por un medio externo se denomina convección forzada.

		3.- RADIACIÓN: 

	El calor se transfiere mediante emisiones electromagnéticas que son irradiadas por cualquier cuerpo cuya temperatura sea mayor a cero grados Kelvin. El estado de la superficie influye en gran medida en la cantidad de calor radiado. Las superficies mates son más favorables que las pulidas y los cuerpos negros son los de mayor poder de radiación, por este motivo se efectúa un ennegrecimiento de la superficie radiante. La transferencia de calor por radiación no se tiene en cuenta puesto que a las temperaturas a que se trabaja ésta es despreciable.

Parámetros que intervienen en el cálculo

Para que un semiconductor disipe la potencia adecuada, hay que mantener la temperatura de la unión por debajo del máximo indicado por el fabricante.

	
	El paso de la corriente eléctrica produce un aumento de la temperatura de la unión (Tj).
	
	Si ésta se quiere mantener a un nivel seguro, debemos evacuar al exterior la energía calorífica generada por la unión.
	
	Para que se produzca un flujo de energía calorífica de un punto a otro, debe existir una diferencia de temperatura. El calor pasará del punto más caliente al más frío, pero aparecen factores que dificultan este paso.
	
	A estos factores se les denomina resistencias térmicas. 
	
	Por lo tanto, aprovechando la ley de ohm realizamos la siguiente comparación eléctrica mostrada en la figura adjunta.
	
	Asemejaremos las temperaturas a tensiones, las resistencias térmicas a las resistencias óhmicas y el flujo de calor a una corriente eléctrica. 

	Por lo tanto, aprovechando la ley de ohm realizamos la siguiente comparación eléctrica mostrada en la figura adjunta.
	
	Asemejaremos las temperaturas a tensiones, las resistencias térmicas a las resistencias óhmicas y el flujo de calor a una corriente eléctrica.

Al igual que en un circuito eléctrico, se puede decir que:

De la figura se obtiene la expresión:

Resistencia térmica

En la siguiente figura se muestra la igualdad entre el circuito equivalente de resistencias térmicas y los elementos en un montaje real:

Rjc = Resistencia unión - contenedor

Rcd = Resistencia contenedor - disipador

Td = Temperatura del disipador

Rd = Resistencia del disipador

Tc = Temperatura del contenedor

Ta = Temperatura ambiente

Tj = Temperatura de la unión

Resistencia Unión - Cápsula (Rjc)

En este caso el foco calorífico se genera en la unión del propio cristal semiconductor, de tal forma que el calor debe pasar desde este punto al exterior del encapsulado.

Generalmente este dato lo suministra el fabricante, y dependerá del tipo de cápsula del dispositivo. Aparecerá bien directamente o indirectamente en forma de curva de reducción de potencia. En la figura siguiente se muestra este tipo de curva.

Esta muestra la potencia en función de la temperatura de la cápsula. En ella la pendiente de la recta dada es la resistencia unión cápsula. La fórmula que se utiliza para el cálculo de esta resistencia es:

Donde estos datos se obtienen de la curva de reducción de potencia, que será propia de cada dispositivo. Deberemos de tener en cuenta que Pd es la dada por el fabricante y no la que disipará el dispositivo en el circuito. Normalmente Tc vale 25 ºC.

Si tomamos de un manual los datos correspondientes del IRFP250N serán:

Pdmáx=214W

Tjmáx =175 ºC

Sustituyendo estos valores en la siguiente ecuación, se obtiene el valor de la Rjc:

y ésta es, precisamente, la Rjc indicada en los manuales para el IRFP250N.

Resistencia cápsula - Disipador (Rcd)


	Es la resistencia térmica entre el semiconductor y el disipador. 

	Este valor depende del sistema de fijación del disipador y el componente, y del estado de planitud y paralelismo de las superficies de contacto, puesto que a nivel microscópico, solo contactan por unos puntos, quedando huecos de aire que entorpecen la transmisión del calor.

	También depende del tipo de material que se interponga entre ambas superficies de contacto. Los elementos que se sitúan entre la cápsula y el disipador pueden ser de dos tipos:

		a. Pastas conductoras de calor, que pueden ser o no ser conductoras de la electricidad. 

		b. Láminas aislantes eléctricas que se pueden emplear conjuntamente con siliconas conductoras de calor como mica, kelafilm, etc. También las hay conductoras de calor que no precisan pasta de silicona. 

	El tipo de contacto entre cápsula y disipador podrá ser: 

		* Directo. 

		* Directo más pasta de silicona. 

		* Directo más mica aislante. 

		* Directo más mica aislante más pasta de silicona.

	El valor de esta resistencia térmica influye notablemente en el cálculo de la superficie y longitud que debe disponer la aleta que aplicaremos al dispositivo a refrigerar.

	Cuanto más baja es Rcd menor será la longitud y superficie de la aleta requerida. 

	Por ejemplo, para una cápsula TO.3 se tiene que con contacto directo más pasta de silicona la Rcd = 0,12 ºC/W, que con contacto directo Rcd = 0,25 ºC/W, que con contacto directo más mica y más pasta de silicona Rcd = 0,4 ºC/W, y que con contacto directo más mica Rcd = 0,8 ºC/W.

	Por lo tanto podemos decir que cuando no sea necesario aislar el dispositivo, el tipo de contacto que más interesa es el directo más pasta de silicona, ya que da el menor valor de Rcd y si hubiese que aislar con mica interesa montar mica más pasta de silicona ya que la Rcd es menor que si se monta solo con mica.
	
	Por ello podemos obtener la siguiente conclusión:
	
	La mica aumenta la Rcd mientras que la pasta de silicona la disminuye y como se ha dicho cuanto más pequeña sea la Rcd menor superficie de aleta refrigeradora.

Resistencia del disipador (Rd)

Representa el paso por convección al aire del flujo calorífico a través del elemento disipador.

Este dato será, en la práctica, la incógnita principal de nuestro problema, puesto que según el valor que nos de el cálculo, así será el tipo de aleta a emplear.

Depende de muchos factores:

potencia a disipar, condiciones de la superficie, posición de montaje y en el caso de disipadores planos factores como el grosor del material y el tipo de encapsulado.

Para el cálculo de la resistencia se pueden utilizar las siguientes fórmulas:


	
	Este valor de Rja no es el que da el fabricante ya que éste la suministra sin disipador, y la que hay que utilizar es con disipador.
	
	El fabricante la facilita como suma de Rjc y Rca puesto que ignora el tipo de disipador que utilizaremos. 

	Una vez calculada la Rd se pasa a elegir la aleta refrigeradora.
	
   Para la elección de la aleta, habrá que tener en cuenta que el tipo de encapsulado del dispositivo a refrigerar sea el adecuado para su montaje en la aleta disipadora que se haya elegido. 

	Después de cumplir la condición anterior hay que calcular la longitud o la superficie del disipador elegido.
	
   Para ello es necesario disponer de uno de los dos tipos de gráficas que ofrecen los fabricantes de disipadores, la Rd - longitud y la Rd - superficie. 

	Según la gráfica de que se disponga se obtendrá un valor de longitud o un valor de superficie de disipador que hay que montar para refrigerar adecuadamente el dispositivo semiconductor.

Resistencia Unión - Ambiente (Rja)

Como su nombre indica es la resistencia que existe entre la unión del semiconductor y el ambiente.

Con esta resistencia deberemos de distinguir dos casos, el de resistencia unión ambiente con disipador y sin disipador.

Cuando se habla de resistencia unión ambiente sin disipador, nos referimos a la resistencia unión contenedor junto con la contenedor ambiente:

(figura b)

Este valor lo suministra el fabricante en función del tipo de cápsula.

Cuando se habla de la resistencia unión ambiente con disipador nos referimos a la suma de la resistencia unión contenedor (Rjc), la resistencia contenedor disipador (Rcd) y la resistencia disipador ambiente (Rd):

(figura a)

Temperatura

Temperatura de la unión (Tj)

	La temperatura máxima de la unión es el límite superior de temperatura a la que no se debe llegar y menos sobrepasar si queremos evitar la destrucción de la unión.

	Este dato es un valor que se suele suministrar, normalmente, en los manuales de los fabricantes de semiconductores. 

	Si este valor no se refleja en dichos manuales o, simplemente, no se encuentra, podremos adoptar unos valores típicos en función del dispositivo a refrigerar como los mostrados en la tabla que se expone a continuación:

		DISPOSITIVOS

	de unión de Germanio Entre 100 y 125ºC 

	de unión de Silicio Entre 150 y 200ºC  

	JFET Entre 150 y 175ºC 

	MOSFET Entre 175 y 200ºC 

	Tiristores Entre 100 y 125ºC 

	Transistores de Unión Entre 100 y 125ºC 

	Diodos de Silicio Entre 150 y 200ºC 

	Diodos Zener Entre 150 y 175ºC


	Se debe distinguir entre la temperatura máxima de la unión permitida para un dispositivo y la temperatura real de la unión a la que se pretende que trabaje dicho elemento o dispositivo que, lógicamente, siempre será menor que la máxima permitida.

	El objetivo del que diseña será mantener la temperatura de la unión por debajo de la máxima.
	
	Para ello se utiliza un coeficiente ( K ) de seguridad cuyo valor dará una temperatura de la unión comprendida entre el 50% y el 70% de la máxima. Por lo tanto k estará comprendido entre 0,5 y 0,7.
	
	Tj = Tjmáx x k

	Las condiciones de funcionamiento en función de k serán:

	Para valores de k=0,5. Dispositivo poco caliente. Máximo margen de seguridad, pero el tamaño de la aleta refrigeradora será mayor. 

	Para valores de k=0,6. Dimensión menor de la aleta refrigeradora sin que el dispositivo se caliente demasiado. 

	Para valores de k=0,7. Máximo riesgo para el dispositivo, máxima economía en el tamaño de la aleta refrigeradora. Este coeficiente de seguridad exige que la aleta se sitúe en el exterior.

Temperatura de la Cápsula (Tc)

Este dato no se suministra en los manuales ya que depende del valor de la potencia que disipa el dispositivo, de la resistencia del disipador y de la temperatura ambiente.

Por lo tanto solo podemos calcularla cuando conozcamos todos los datos reflejados en alguna de las siguientes expresiones:

Temperatura del disipador (Td)

Este valor se obtiene a partir de la potencia disipada Pd, de la resistencia térmica de la aleta Rd y finalmente de la temperatura ambiente Ta.

Se calculará con cualquiera de estas expresiones:


	La temperatura obtenida será siempre inferior a la temperatura de la cápsula aunque será lo suficientemente alta en la mayoría de los casos como para no poder tocar el disipador con las manos. 

	Esto no es motivo de preocupación ya que se han tomado las medidas necesarias como para que la temperatura de la unión disponga de un margen de seguridad dentro de los márgenes ya explicados. 

	Puede suceder que la temperatura de la aleta sea bastante elevada, tanto que si se toca con un dedo notaríamos que quema. Pero en todo momento la temperatura de la unión entrará con amplio margen dentro de los límites permitidos.

	No obstante, si se quiere disminuir esta temperatura, solo hay que calcular de nuevo la resistencia térmica Rd de la aleta, poniendo esta vez 0,5 como factor ( k ) necesario para determinar Tj.

	Ello llevará a adoptar una aleta más grande, pero tanto la Tc, como la Td disminuirán como se desea.

Temperatura ambiente (Ta)

En la interpretación de este dato puede haber alguna confusión ya que se puede tomar su valor como la temperatura del medio ambiente cuando en realidad es la temperatura existente en el entorno donde está ubicado el disipador.

POTENCIA

Potencia disipada

Sistema de control de motores de Corriente Continua basado en el microcontrolador LM629
CREDITOS

Créditos

PROYECTO PARA LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE BACHILLERATO + 4 DE CNAM FRANCIA
Autores:
Juan Antonio Pizarro Martín
Julio Martín Rodríguez
Ángel Puerta Rubio
CURSO 2001/2002
JAPM 2007

CNAM ESPAÑA http://www.salesianosloyola.com/CNAM/INDEX.HTM

CNAM FRANCIA http://www.cnam.fr/36392593/0/fiche___pagelibre/

Sistema de control de motores de Corriente Continua basado en el microcontrolador LM629Cálculo del sistema I

Capítulo VII

Especificaciones del equipo

En este apartado se van a exponer algunas especificaciones de los distintos dispositivos y teoría para el diseño y calculo del puente H y disipación, como son:

Propagación del calor.

Formas de transmitir calor.

Resistencias térmicas.

Temperaturas.

Potencia disipada.

Alimentación del puente H. ( de 10 a 65v )

Corriente max ( 8A )

Corriente min ( 4A )

MOSFET IRFP 250n

Utilizaremos el Mosfet IRFP 250N: Características (Ver anexo B)

- Vds 200V Tj -55 / +175 ºC tr 43ns

Rds(on) 0.075 Rjc 0.7 ºC/W tf 33ns

Id 30A Rcs 0.24 ºC/W

Cápsula TO-247AC Rja 40ºC/W

Consideramos una tensión de trabajo de 50% menos de la tensión del Mosfet de Vdss de 200V.

El montaje estará especificado para diversos motores, hasta una potencia max de 1500W.

Donde la corriente max que circulara por el puente H, será aproximadamente de

Si la alimentación especificada es de 10 a 65V, la Potencia máxima estará comprendida.

Para 10V

Para 65V

Realizado estos cálculos podemos asegurar que el Mosfet, estará trabajando por debajo de la Pmax que admite, con un margen de seguridad "DERATING" del 50%.

Cálculo del disipador

Temperatura de funcionamiento (0 a 70ºC)

Introducción a los disipadores de calor

Propagación del calor

Parámetros que intervienen en el cálculo

Para que un semiconductor disipe la potencia adecuada, hay que mantener la temperatura de la unión por debajo del máximo indicado por el fabricante.

Al igual que en un circuito eléctrico, se puede decir que:

De la figura se obtiene la expresión:

Resistencia térmica

Resistencia térmica

En la siguiente figura se muestra la igualdad entre el circuito equivalente de resistencias térmicas y los elementos en un montaje real:

Rjc = Resistencia unión - contenedor

Rcd = Resistencia contenedor - disipador

Td = Temperatura del disipador

Rd = Resistencia del disipador

Tc = Temperatura del contenedor

Ta = Temperatura ambiente

Tj = Temperatura de la unión

Resistencia Unión - Cápsula (Rjc)

En este caso el foco calorífico se genera en la unión del propio cristal semiconductor, de tal forma que el calor debe pasar desde este punto al exterior del encapsulado.

Generalmente este dato lo suministra el fabricante, y dependerá del tipo de cápsula del dispositivo. Aparecerá bien directamente o indirectamente en forma de curva de reducción de potencia. En la figura siguiente se muestra este tipo de curva.

Esta muestra la potencia en función de la temperatura de la cápsula. En ella la pendiente de la recta dada es la resistencia unión cápsula. La fórmula que se utiliza para el cálculo de esta resistencia es:

Donde estos datos se obtienen de la curva de reducción de potencia, que será propia de cada dispositivo. Deberemos de tener en cuenta que Pd es la dada por el fabricante y no la que disipará el dispositivo en el circuito. Normalmente Tc vale 25 ºC.

Si tomamos de un manual los datos correspondientes del IRFP250N serán:

Pdmáx=214W

Tjmáx =175 ºC

Sustituyendo estos valores en la siguiente ecuación, se obtiene el valor de la Rjc:

y ésta es, precisamente, la Rjc indicada en los manuales para el IRFP250N.

Resistencia cápsula - Disipador (Rcd)

Resistencia del disipador (Rd)

Representa el paso por convección al aire del flujo calorífico a través del elemento disipador.

Este dato será, en la práctica, la incógnita principal de nuestro problema, puesto que según el valor que nos de el cálculo, así será el tipo de aleta a emplear.

Depende de muchos factores:

potencia a disipar, condiciones de la superficie, posición de montaje y en el caso de disipadores planos factores como el grosor del material y el tipo de encapsulado.

Para el cálculo de la resistencia se pueden utilizar las siguientes fórmulas:

Resistencia Unión - Ambiente (Rja)

Como su nombre indica es la resistencia que existe entre la unión del semiconductor y el ambiente.

Con esta resistencia deberemos de distinguir dos casos, el de resistencia unión ambiente con disipador y sin disipador.

Cuando se habla de resistencia unión ambiente sin disipador, nos referimos a la resistencia unión contenedor junto con la contenedor ambiente:

(figura b)

Este valor lo suministra el fabricante en función del tipo de cápsula.

Cuando se habla de la resistencia unión ambiente con disipador nos referimos a la suma de la resistencia unión contenedor (Rjc), la resistencia contenedor disipador (Rcd) y la resistencia disipador ambiente (Rd):

(figura a)

Temperatura

Temperatura de la unión (Tj)

Temperatura de la Cápsula (Tc)

Este dato no se suministra en los manuales ya que depende del valor de la potencia que disipa el dispositivo, de la resistencia del disipador y de la temperatura ambiente.

Por lo tanto solo podemos calcularla cuando conozcamos todos los datos reflejados en alguna de las siguientes expresiones:

Temperatura del disipador (Td)

Este valor se obtiene a partir de la potencia disipada Pd, de la resistencia térmica de la aleta Rd y finalmente de la temperatura ambiente Ta.

Se calculará con cualquiera de estas expresiones:

Temperatura ambiente (Ta)

En la interpretación de este dato puede haber alguna confusión ya que se puede tomar su valor como la temperatura del medio ambiente cuando en realidad es la temperatura existente en el entorno donde está ubicado el disipador.

POTENCIA

Potencia disipada

Sistema de control de motores de Corriente Continua
basado en el microcontrolador LM629

Cálculo del sistema I