Control de corriente para IRF630

Este control de corriente es el típico control que se encuentra a los dos minutos de buscar en google, pero le voy a hacer un favor a algún estudiante o entusiasta que no entienda mucho de electrónica y voy a explicar paso a paso (con manzanitas, peras y obviando muchos detalles), el proceso de diseño y el por que de cada cosa.

La clave para analizar/crear estos circuitos es identificar los patrones de diseño de cada etapa, es decir saber qué datos se tienen y con esto ver qué circuito nos sirve para generar los niveles de voltaje para controlar el Mosfet.

El objetivo a controlar es un peltier de 60W, 12V, lo que da una corriente de 60/12 = 5A. La idea es hacerme un mini aire acondicionado (a ver si funciona), estoy muerto de calor aquí en el laboratorio y nadie me va ayudar a resolver mi problema. Siempre he pensado que falta un mini aire acondicionado para los empleados de oficina (yo trabajo en mi casa), que puedan esconder del jefe, sería genial terminar diseñando algo así.

Primero que nada debo aclarar que el IRF630 es un Mosfet NPN, lo que significa que debe ser puesto entre la carga y tierra para que funcione (source a tierra), y no es lo ideal dado que al momento de desconectar la carga y por muy apagado que tengamos el Mosfet vamos a tener viva la linea de 12V (me refiero al conector físico) y es un riesgo innecesario, claro que este no es un diseño para uso de público en general y me puedo saltar estas reglas de sentido común. Pero el IRF630 es lo único que tengo a mano, caso contrario habría usado un IRF530.

Primero calculo cual es el voltaje que voy a tener en mis resistencias, dado que cuanta más corriente circule mayor es el voltaje y la potencia que voy a perder solo por el hecho de sensar y controlar.

$V = I\cdot R$

$V_{s1} = 0.02 \Omega \cdot 4A = 0.08V$  

$P_{s1} = 0.08V\cdot 4A = 0.32W$

$V_{s2} = 1 \Omega \cdot 4A = 4V$

$P _{s2} = 4V\cdot 4A = 16W$

pierdo bastante con la resistencia de 1 Ohm, asi que me voy a quedar con la de 0.02 Ohm

Ahora, tengo que ingeniarmelas para usar ese nivel de voltaje y controlar el Mosfet.

Definamos algunas variables:

$V_{L}$ voltaje de la carga

$V_{s}$ voltaje del sensor (resistencia)

$V_{g}$ voltaje de control de mosfet (output de algún sistema de control)

$R_{L}$ resistencia de la carga

$I_{L}$ corriente de la carga

$F_{c}(I_{L})$ = funcion de control dependiente de la corriente de la carga (variable de control)

$I_{M}(V_{g})$ = función de corriente del mosfet dependiente del voltage de control (Vg)

Sabemos que el voltage $V_{s}$ es función de la corriente en la forma:

$V_{s} =  I_{L} \cdot R_{s}$

Si $V_{s}$ es bajo respecto a la corriente que queremos tener, debo levantar $V_g$ para hacer pasar más corriente (por que asi funciona el Mosfet NPN), lo que nos da una idea de la forma que va a tener la ecuación de control y lo que necesitamos buscar:

$V_{g} = F_{c}(V_{c}-V_{s})$

o sea, la salida de control Vg debe ser positiva para un diferencia positiva, por lo tango $F_c$ definida positiva (como decía mi profe de calculo). Luego lo primero que se me viene a la mente es un amplificador operacional, ya que este tiene ecuaciones de salidas definidas positivas para entradas positivas de la forma:

$V_o = A(V_{+} - V_{-})$

Donde $V_{-} = I_L \cdot V_s$ , quedando la ecuación de la forma

$V_{out} = V_g = A ( V_{+} - I_L \cdot R_s)$ 

despejando IL, queda

$I_L = \frac{1}{R_s} \cdot ( V_{+} - \frac{V_g}{A} )$

Como A es muy muy grande, la ecuación queda:

$I_L = \frac{V_{+}}{Rs}$

o sea, el control de la corriente depende únicamente del valor de la resistencia (que es fijo) y de la entrada positiva del opamp, pan comido !!.

Ahora, sí metemos el mosfet de por medio, solamente debemos estar seguros de que la salida del opamp no esté fuera de los rangos de trabajo del mismo mas el voltaje mínimo que requiere para prender ($V_{th}=4V$), lo cual es cierto mientras no levantemos mucho $V_{+}$, o sea la diferencia entre $V_{+}$ y $V_{-}$ debe ser menor a $6V$ para alcanzar un maximo de $10V$, aunque que el máximo absoluto es $20V$, pero el datasheet muestra que a $10V$ ya está saturado, y no convendría estresarlo más inútilmente.

ahora hacemos una tabla con los valores de resistencia que tenemos y los valores de $V_+$ que necesitamos para trabajar con los niveles de corriente esperados:

Se puede observar que con la resistencia ideal de $0.02\Omega$ habría que tener valores de voltaje de control entre $0mV$ y $100mV$ para estar en un nivel de corriente deseado, mala cosa por que no tengo muchos valores de resistencia por ahi dando vuelta.

Luego, si ponemos un divisor de voltaje desde los $12V$ en $V_+$ con un potenciómetro  a tierra hacemos la magia. Escogemos una resistencia de $1.5M\Omega$ y un potenciómetro de $10K\Omega$.

Luego para probar el diseño, lo simulamos usando un operacional "single supply" "rail to rail" para estar seguro que se vaya a cero al momento de querer apagar el circuito, de otra manera tendría que tener un nivel de voltaje lo suficientemente alto para prender el Mosfet con lo cual partiría con corrientes considerables dado el valor de $R_s$ (unos $2.4A$ para un LT1218, según mi simulación).

Ojo que el eje X de la simulación corresponde a los valores del potenciómetro.

Sería.

bye.