Dimensionamento do acionamento de um pequeno motor CC

Um motor CC com escovas não é apenas uma resistência. No modelo simplificado, o enrolamento tem resistência e indutância. Quando o eixo gira, o motor também gera uma força contraeletromotriz (FCEM), uma tensão interna que se opõe à tensão aplicada.

De forma qualitativa: no instante em que o motor está parado, a FCEM é praticamente zero. À medida que ele acelera, a FCEM cresce e sobra menos tensão para produzir corrente no enrolamento. Por isso, a corrente normalmente diminui depois da partida.

A indutância impede que a corrente mude instantaneamente, mas não elimina a necessidade de dimensionar o estágio para a condição inicial exigente.

Use este caso de referência didático nos próximos passos. Os valores permitem comparar as condições do motor, mas ainda não são uma autorização para montar ou energizar um circuito.

A corrente em vazio é medida com o eixo livre, depois que o motor atingiu rotação. Nessa situação, a FCEM já reduz a corrente.

Com uma carga mecânica maior, o eixo tende a girar mais devagar. A FCEM diminui e a corrente aumenta. Na partida, o rotor começa parado; portanto, a corrente pode ser muito maior que a corrente em vazio. O acionamento — fonte, chave e proteção — deve suportar essa condição transitória prevista, não apenas os 0,12 A observados em vazio.

Associe cada condição do motor à descrição mais adequada.

Na partida, o rotor ainda está parado. Portanto, a força contraeletromotriz é aproximadamente nula e uma referência conservadora é:

I_partida ≈ V / R_enrolamento

Use a maior tensão prevista dentro da especificação do motor e a menor resistência documentada a frio. Essa combinação evita subestimar a demanda do acionamento.

O resultado é uma estimativa de referência resistiva: ele não significa que a corrente salta instantaneamente a esse valor no instante em que a tensão é aplicada.

Para um motor com tensão máxima prevista de 9,0 V e menor resistência documentada a frio de 3,0 Ω, complete a estimativa conservadora:

I_partida ≈ ____ A

Neste acionamento unidirecional, o motor fica entre +V_MOTOR e o dreno de um MOSFET N. O source vai ao retorno de potência (GND), e o gate recebe o PWM por uma saída lógica compatível, sempre com referência de GND comum.

O MOSFET é uma chave no lado de baixo: quando conduz, ele completa o caminho para o retorno. Esse circuito aciona em um único sentido; inversão de rotação exige outra topologia, vista adiante.

Estado ligado: o PWM coloca o MOSFET em condução. A corrente sai do positivo da alimentação, atravessa o motor, passa pelo MOSFET e retorna ao negativo da fonte.

Nesse intervalo, o diodo externo permanece bloqueado. A corrente no enrolamento tende a crescer, ou pode apenas variar pouco, conforme a velocidade do motor, a carga e os valores do circuito.

Estado desligado: ao abrir o MOSFET, a corrente no enrolamento não pode cair instantaneamente a zero. Para conservá-la no mesmo sentido através do motor, a tensão no dreno sobe acima de +V_MOTOR até polarizar diretamente o diodo.

Forma-se então um laço local: motor → diodo → motor. A tensão do dreno fica aproximadamente em +V_MOTOR + V_F; o diodo limita o transiente e oferece o percurso de recirculação.

Com o MOSFET desligado e ainda havendo corrente no enrolamento, qual conexão do diodo permite a recirculação correta?

Durante o PWM, não existe uma única “corrente do circuito”. Cada componente conduz em instantes diferentes.

Considere o acionamento já estudado: MOSFET no lado de baixo e diodo externo em paralelo com o motor. Enquanto o PWM está em nível alto, o MOSFET conduz e a corrente segue pelo motor. Quando o PWM vai para nível baixo, a corrente do enrolamento tende a continuar e passa para o diodo de recirculação.

Assim, a corrente do motor pode permanecer positiva e variar suavemente, enquanto as correntes no MOSFET e no diodo aparecem em intervalos alternados.

Sem considerar um capacitor local, durante o intervalo ligado a fonte entrega corrente ao caminho:

positivo → motor → MOSFET → retorno.

No intervalo desligado, a recirculação ideal forma um laço local:

motor → diodo → motor.

Portanto, a fonte não fornece diretamente a corrente do motor durante a recirculação ideal. Isso não significa que a fonte seja irrelevante: ela repõe, ao longo dos ciclos, a energia retirada quando o MOSFET conduz.

Um capacitor próximo ao estágio pode fornecer e receber parte da corrente pulsante. Por isso, a corrente nos terminais da fonte pode ter outra forma de onda que a corrente do MOSFET ou do motor.

Não conclua a capacidade da fonte olhando apenas a corrente média: partida, pulsos, cabos, resposta da fonte e consumos da lógica também importam. A escolha detalhada do capacitor será tratada em outro contexto.

Em regime estável, com corrente contínua no motor e pequena ondulação, uma aproximação útil é:

I_fonte,média ≈ D × I_motor

onde D é o ciclo de trabalho e I_motor é a corrente média do motor. A aproximação considera o estágio ideal e desconsidera perdas e consumos auxiliares, como os da lógica.

Ela é uma estimativa de valor médio — não informa o pico de partida nem substitui a verificação da fonte.

Aplique a aproximação ao caso descrito: corrente média do motor de 0,50 A, pequena ondulação e ciclo de trabalho de 40%.

I_fonte,média ≈ ____ A

Reduzir D normalmente reduz a energia média entregue ao motor, mas duas conclusões são incorretas:

• “D menor limita o pico de corrente.” Na partida, a força contraeletromotriz ainda é muito baixa. O pico depende da tensão, resistência, indutância e duração do pulso; PWM sozinho não é um limitador de corrente garantido.
• “Velocidade é proporcional a D.” A velocidade também depende de carga mecânica, atrito, alimentação, perdas e de o motor operar ou não em corrente contínua.

Para dimensionar, trate os picos e as condições de partida como verificações próprias.

A seleção não começa pela corrente máxima impressa na primeira linha do catálogo. Para o MOSFET N de lado baixo já estudado, compare as condições reais do circuito com as condições declaradas na ficha:

• V_DS máximo: deve exceder a maior tensão entre dreno e source, incluindo a alimentação máxima e transientes previstos.
• R_DS(on): use o valor garantido na tensão que o GPIO realmente aplica ao gate.
• Corrente contínua e pulsos: interprete os limites junto com temperatura, duração e repetição declaradas.
• Gate: confira carga de gate, frequência de PWM, resistor em série, pull-down e a capacidade do GPIO.

V_GS(th) não garante condução plena. Ele indica apenas o começo da condução sob uma corrente pequena, nas condições específicas da ficha técnica.

O MOSFET precisa atender às tensões, correntes e condições de comando que realmente ocorrem no estágio.

Retome o motor de referência: tensão máxima prevista de 6,0 V, resistência mínima a frio de 2,4 Ω e estimativa conservadora de partida de 2,5 A.

Para esta comparação didática, o PWM vem de um GPIO de 5 V, opera a 20 kHz com até D = 0,60 e, em regime, o motor conduz 0,50 A com pequena ondulação. Cada intervalo ligado do PWM dura até 30 µs. Considere partidas de até 300 ms, no máximo uma a cada 30 s.

Essas condições tornam explícito que 2,5 A é uma demanda transitória repetida em muitos pulsos, e não uma corrente contínua permitida.

Na partida, a corrente pode se aproximar de 2,5 A nos pulsos iniciais. Para B, usar a expressão de condução apenas como referência resulta em:

P_cond ≈ 0,60 × (2,5 A)² × 0,045 Ω ≈ 0,169 W.

Esse valor médio aproximado durante a partida não comprova segurança sozinho. Verifique se o limite de pulso se aplica aos pulsos de 30 µs, à repetição de 20 kHz e à partida de até 300 ms; depois confira as condições térmicas e a área de operação segura aplicável.

B é a melhor escolha preliminar: R_DS(on) é garantido a 4,5 V, V_DS de 30 V deixa margem acima dos 6,0 V e seus dados declarados cobrem o envelope de partida. O valor de 35 mΩ de C não vale para gate de 5 V.

Quando o MOSFET desliga, a corrente que já existe no enrolamento não desaparece instantaneamente: ela passa para o diodo externo. Portanto, o diodo deve suportar a corrente do motor no início de cada intervalo desligado — inclusive se o PWM for aplicado enquanto o motor ainda está partindo.

No caso principal, a estimativa conservadora de partida é 2,5 A. Esse é o valor de referência para verificar os pulsos repetitivos de recirculação durante a partida. Não dimensione o diodo apenas pelos 0,12 A em vazio nem somente pela corrente em regime.

Para corrente contínua no motor com pequena ondulação, use em regime estável:

I_diodo,média ≈ (1 − D) × I_motor

P_diodo ≈ V_F × I_diodo,média

Essas expressões estimam a corrente média e o aquecimento médio do diodo. Elas não calculam o pico no início da recirculação. Use um valor de V_F informado para uma corrente e temperatura compatíveis com a condição analisada; não escolha um valor típico isolado sem conferir suas condições.

No motor de referência, considere a condição de regime com D = 0,60, I_motor = 0,50 A, pequena ondulação e V_F = 0,55 V. Complete a estimativa:

P_diodo ≈ V_F × (1 − D) × I_motor = ____

A fonte precisa atender a dois cenários distintos: a corrente contínua prevista com o motor em regime e a demanda transitória da partida. Compare esses valores com a capacidade documentada da fonte, inclusive como ela reage ao atingir a limitação de corrente.

Se a fonte limitar a corrente ou sua tensão cair demais na partida, o motor pode não acelerar. Sem aceleração, a força contraeletromotriz permanece baixa e a corrente elevada dura mais tempo. Portanto, a limitação da fonte é uma proteção, não um modo normal de fazer o motor partir.

O motor deve receber energia pelo ramo de potência. Nunca o alimente por um GPIO nem pelo regulador da placa do microcontrolador.

Há duas arquiteturas usuais. Em ambas, o sinal de comando precisa de uma referência comum: o GND do microcontrolador e o retorno do estágio devem estar conectados de forma planejada. Isso não significa unir saídas positivas de fontes diferentes.

Os caminhos de alta corrente do motor devem ser curtos e ficar no ramo de potência. Quedas em fios e retornos compartilhados podem deslocar a referência da lógica, injetar ruído no comando e provocar reset do microcontrolador.

Um motor de 6 V tem estimativa de partida de 1,8 A e corrente em regime de 0,35 A. Ele é ligado a uma fonte de 6 V cuja limitação de corrente é 0,5 A. O mesmo barramento alimenta um microcontrolador, que reinicia quando o PWM é habilitado.

Qual correção é mais coerente?

Antes de energizar, trate a prática como uma verificação curta e de baixa energia — não como um modo de descobrir o limite do motor. Use somente um motor pequeno, firmemente fixado, com o eixo livre. Remova hélices, rodas, engrenagens, polias e qualquer outro mecanismo acoplado.

Use uma fonte pronta, isolada e de até 12 Vcc, ajustada à tensão nominal do motor. Defina um limite de corrente justificado pelos dados do motor, pelos componentes selecionados e pela capacidade de fios, contatos e conectores. Limitação de corrente persistente não é uma condição normal de funcionamento.

Com a alimentação de potência desligada, confirme a pinagem real do MOSFET, a polaridade do diodo de recirculação, o pull-down do gate e a referência comum entre o sinal de comando e o retorno de potência.

Confira também se fios, contatos e conectores suportam a corrente prevista. O motor deve receber energia pelo ramo de potência, nunca pelo GPIO nem pelo regulador da placa lógica. Se a placa estiver ligada por USB e por outro terminal de alimentação, verifique a documentação para evitar caminhos de alimentação indevidos.

Organize as ações de uma eventual prática, desde a preparação mecânica e elétrica até o primeiro acionamento. A última ação só é aceitável depois que todas as anteriores foram concluídas.

Não use a leitura aparentemente normal de um multímetro como prova de que a partida foi tranquila. O instrumento pode não registrar um pico rápido de corrente nem uma queda breve na alimentação da lógica. A ausência de indicação não comprova a ausência do transiente.

Por isso, a decisão de testar vem dos dados, dos limites verificados e da inspeção. Bloqueio e sobrecarga permanecem condições para análise, não para provocar na prática.

Retome um único caso didático para fechar a decisão: motor de 6,0 V, resistência mínima do enrolamento a frio de 2,4 Ω e estimativa conservadora de partida de 2,5 A. O PWM é de 20 kHz, com até D = 0,60. Em regime considerado, o motor conduz 0,50 A, com pequena ondulação.

A corrente média aproximada retirada da fonte pelo estágio, em regime, é 0,60 × 0,50 A = 0,30 A. A lógica consome no máximo 0,10 A no caso didático; portanto, a demanda contínua estimada da fonte é 0,40 A, sem incluir pequenas perdas já cobertas pela margem da fonte.

O valor médio não substitui a verificação da partida. Fonte, MOSFET e diodo precisam suportar os pulsos associados aos 2,5 A estimados, sob a duração, repetição e condições térmicas declaradas.

A aprovação térmica precisa ser demonstrada, não apenas afirmada.

MOSFET B: em regime, a perda total limitada é 0,015 W. Assim, Tj ≈ 25 °C + 0,015 W × 100 °C/W = 26,5 °C. Durante a partida, use a perda total conservadora de 0,20 W por 300 ms: o acréscimo transitório é no máximo 0,20 W × 30 °C/W = 6,0 °C. Somando ao regime: Tj ≤ 32,5 °C, abaixo de 125 °C.

A capacidade declarada de pulso do MOSFET B é 4,0 A por 30 µs, repetitiva a 20 kHz. A corrente de projeto é 2,5 A; portanto, ela fica abaixo desse limite, mas a aprovação também depende da duração de partida de 300 ms e da repetição a cada 30 s.

Diodo: em regime, P ≈ 0,11 W; então Tj ≈ 25 °C + 0,11 W × 120 °C/W = 38,2 °C. Na partida, P ≤ 0,90 W por 300 ms; o acréscimo transitório é ≤ 0,90 W × 20 °C/W = 18 °C. Logo, Tj ≤ 56,2 °C, também abaixo de 125 °C.

Se essas condições não forem documentadas no conjunto real, a conclusão passa a ser “ainda não apto”.