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Analógico, Electrónica, Linux, Nivel: Intermedio

Regulador de tensión MOSFET para Moto.

Circuito del regulador, con los elementos de simulación.

Típicamente, las motocicletas de baja cilindrada utilizan alternadores de imán permanente, los cuales generan una tensión aproximadamente proporcional a la velocidad de giro del motor Esto es un problema dado que el rango de variación es enorme, entre 1000 y 9000 Rpm. Por este motivo la tensión a la salida del alternador sin carga tiene un rango muy grande de tensiones, entre 20V y 250V.

Estas condiciones de funcionamiento obligan a utilizar reguladores conmutados, dado que la disipación de un regulador serie lineal seria insostenible. Por otro lado, un regulador paralelo lineal (una especie de diodo Zener de potencia) tendría el mismo problema respecto de la disipación de calor.

Existen una serie de atenuantes para estos factores, El primero de ellos es la resistencia en el devanado del estator, la cual limita hasta cierto punto la corriente máxima de cortocircuito.

En segundo lugar y mas importante es la inductancia parásita del estator, la cual aumenta su impedancia (Ze) de manera proporcional a la frecuencia (y la velocidad de giro) lo cual es un gran beneficio al momento de mitigar las variaciones de tensión generada en función de la frecuencia. Dado que la impedancia aumenta con la frecuencia al igual que la tensión generada, existe una corriente máxima de cortocircuito sensiblemente constante limitada por Ve/(Ze+Re) dado que Ve/Ze es constante, y que la resistencia del estator (Re) es considerablemente baja se alcanza un valor máximo de corriente de cortocircuito que es sensiblemente constante a lo largo de todo el rango de velocidades de giro.

Dado que el estator dentro del rango de uso genera una corriente constante de cortocircuito, es factible choppear el exceso derivandolo a tierra cuando la corriente rms de la carga sea menor que la proporcionada por el estator (la inductancia parásita queda como única carga, presentando al generandor una potencia reactiva que vuelve al mismo). Dicha operación es realizada en los reguladores convencionales por tiristores, los cuales se activan cuando la tensión supera el valor prefijado. El uso de tiristores en conjunción con diodos convencionales implica un pésimo cortocircuito del estator por parte del regulador, alcanzando tensiones altas (mas de 2V) en lugar de un cortocircuito ideal (0V) con lo cual se disipa una gran cantidad de potencia en el regulador (dado que la corriente de cortocircuito puede superar fácilmente los 10A, generando una disipación mayor a 20W en los tiristores y diodos. Otro problema de este tipo de regulación es la presencia de picos muy abruptos de corriente a su salida.

Dado que casi la totalidad de los sistemas eléctricos en estos vehículos es de 12V, es factible el uso de diodos schottky con una Vr>=15V lo cual permite una Vf muy baja del orden de 0.2V para las corrientes de funcionamiento normales. Esto permite optimizar el uso del alternador y lograr regulación a bajas RPM donde la tensión inducida en el estator es baja (este es un problema muy típico).

En lugar de diodos comunes, es posible usar transistores Mosfet de baja Rds_on (gracias a los bajos voltajes intervinientes) para reemplazar los diodos correspondientes a la salida negativa del puente y aprovechar el diodo interno de los mismos (entre drain y source) para fines de rectificación. Una ganancia adicional se logra conectando el gate de cada mosfet al drain del mosfet opuesto, de manera tal que el transistor se cierre y genere un bypass a la corriente del diodo llevando su tensión en directa desde 0.7V a aproximadamente cero (Rds_on * Corriente del estator). Este truco permite usar los Mosfet como dispositivos de rectificación sincrónica mientras la tensión a rectificar sea menor a la tensión máxima admitida por el Gate de dichos transistores (típicamente en el orden de 20V).

Resultado de la simulación, donde se aprecia el fenomeno de choppeado de corriente que posibilita la regulación.

Por otro lado, en los intervalos donde la corriente generada por el estator supere la consumida por la carga, es posible conmutar ambos Mosfret (ejerciendo el mismo trabajo que los tiristores en el circuito convencional) en simultaneo generando un cortocircuito casi perfecto (2*Rds_on) optimizando de esta forma la disipación de calor en el regulador y la corriente disponible para la carga.

Dadas las bajas frecuencias involucradas y el objetivo de mantener los costos de fabricación bajos, se opto por conmutar pasivamente los Mosfet, por este motivo la conmutación es lenta y es preciso evitarla lo máximo posible. Para cumplir este objetivo y dados los pocos requerimientos en cuanto al rizado de salida se optó por un esquema de conmutación a rizado (ripple) constante, el cual cortocircuita el estator si la tensión supera el umbral positivo y lo libera cuando la tensión es inferior al umbral negativo. esta diferencia de tensiones está controlada por la resistencia R6 la cual configura el humbral de histéresis.

Para tener una correcta referencia de tensión y una alta ganancia de lazo, de forma tal que sea posible implementar un sistema con histéresis, se usa un TL431 el cual es idóneo para estos fines y tiene un bajo costo.

Prototipo ensayado en modo deadbug con generosa cantidad de pistola de pegamento para evitar roturas.

Se realizó un prototipo utilizando diodos MBR20100 y Mosfet IRFZ44 en una Motomel X3M 125cc con excelentes resultados, obteniendo una disipación térmica despreciable en el orden de 1W utilizando una carga en la instalación eléctrica de aproximadamente 1A.

Es posible conectar un LED entre el pin Vgates y tierra (con una resistencia) para verificar que el circuito regula correctamente. Para la simulación se utilizó LTspice sobre Wine en Debian pero se puede utilizar simplemnte Ngspice o cualquier otro software de que soporte el viejo modelado spice.

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