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Al principio, conducir un motor puede parecer una tarea fácil: simplemente conecte el motor al riel de voltaje apropiado y comenzará a girar. Pero esta no es la manera perfecta de impulsar un motor, especialmente cuando hay otros componentes involucrados en el circuito. Aquí discutiremos una de las formas más utilizadas y eficientes de impulsar motores de CC: el circuito H-Bridge.

Conducción de motor

El tipo de motor más común con el que se puede encontrar en los círculos de aficionados para aplicaciones de baja potencia es el motor de 3 V CC que se muestra a continuación. Este tipo de motor está optimizado para funcionamiento a bajo voltaje desde dos celdas de 1,5 V.

Y ejecutarlo es tan simple como conectarlo a dos celdas: el motor se enciende instantáneamente y funciona mientras las baterías estén conectadas. Si bien este tipo de configuración es buena para aplicaciones 'estáticas' como un molino de viento en miniatura o un ventilador, cuando se trata de una aplicación 'dinámica' como los robots, se necesita más precisión, en forma de control de par y velocidad variable.

Es obvio que disminuir el voltaje en el motor disminuye la velocidad y una batería muerta da como resultado un motor lento, pero si el motor se alimenta desde un riel común a más de un dispositivo, se necesita un circuito de conducción adecuado.

Esto incluso puede ser en forma de un regulador lineal variable como el LM317: el voltaje en el motor se puede variar para aumentar o disminuir la velocidad. Si se necesita más corriente, este circuito se puede construir discretamente con algunos transistores bipolares. El mayor inconveniente de este tipo de configuración es la eficiencia: al igual que con cualquier otra carga, el transistor disipa toda la energía no deseada.

La solución a este problema es un método llamado PWM o modulación por ancho de pulso. Aquí, el motor es impulsado por una onda cuadrada con un ciclo de trabajo ajustable (la relación entre el tiempo de encendido y el período de la señal). La potencia total entregada es proporcional al ciclo de trabajo. En otras palabras, el motor se alimenta durante una pequeña fracción del período de tiempo, por lo que con el tiempo la potencia promedio del motor es baja. Con un ciclo de trabajo del 0%, el motor está apagado (no fluye corriente); con un ciclo de trabajo del 50%, el motor funciona a la mitad de la potencia (la mitad del consumo de corriente) y el 100% representa la máxima potencia al máximo consumo de corriente.

Esto se implementa conectando el lado alto del motor y activándolo con un MOSFET de canal N, que es impulsado nuevamente por una señal PWM.

Esto tiene algunas implicaciones interesantes: un motor de 3 V se puede accionar con un suministro de 12 V con un ciclo de trabajo bajo, ya que el motor solo ve el voltaje promedio. Con un diseño cuidadoso, esto elimina la necesidad de una fuente de alimentación de motor separada.

¿Qué pasa si necesitamos invertir la dirección del motor? Por lo general, esto se hace cambiando los terminales del motor, pero esto se puede hacer eléctricamente.

Una opción podría ser utilizar otro FET y un suministro negativo para cambiar de dirección. Esto requiere que un terminal del motor esté permanentemente conectado a tierra y el otro conectado al suministro positivo o negativo. Aquí, los MOSFET actúan como un interruptor SPDT.

Sin embargo, existe una solución más elegante.

El circuito del controlador del motor H-Bridge

Este circuito se llama puente H porque los MOSFET forman los dos trazos verticales y el motor forma el trazo horizontal del alfabeto 'H'. Es la solución simple y elegante para todos los problemas de conducción de motores. La dirección se puede cambiar fácilmente y la velocidad se puede controlar.

En una configuración de puente H, solo los pares diagonalmente opuestos de MOSFET se activan para controlar la dirección, como se muestra en la siguiente figura:

Al activar un par de MOSFET (diagonalmente opuestos), el motor ve el flujo de corriente en una dirección y cuando se activa el otro par, la corriente a través del motor invierte la dirección.

Los MOSFET se pueden dejar encendidos a plena potencia o PWM-ed para regular la potencia o apagarse para que el motor se detenga. La activación de los MOSFET superiores e inferiores (pero nunca juntos) frena el motor.

Otra forma de implementar H-Bridge es usando 555 temporizadores, que discutimos en el tutorial anterior.

Componentes requeridos

Para el puente H

motor de corriente continua
2x IRF3205 MOSFET de canal N o equivalente
2x IRF5210 MOSFET de canal P o equivalente
2x resistencias de 10K (desplegable)
2x condensadores electrolíticos de 100uF (desacoplamiento)
2 condensadores cerámicos de 100 nF (desacoplamiento)

Para el circuito de control

1x temporizador 555 (cualquier variante, preferiblemente CMOS)
1x TC4427 o cualquier controlador de puerta apropiado
2x 1N4148 o cualquier otra señal / diodo ultrarrápido
1 potenciómetro de 10 K (sincronización)
1 resistencia de 1 K (temporización)
Condensador 4.7nF (temporización)
Condensador 4.7uF (desacoplamiento)
Condensador cerámico 100nF (desacoplamiento)
Condensador electrolítico de 10uF (desacoplamiento)
Interruptor SPDT

Esquemas para un circuito de puente en H simple

Ahora que hemos sacado la teoría del camino, es hora de ensuciarnos las manos y construir un controlador de motor de puente H. Este circuito tiene suficiente potencia para impulsar motores de tamaño mediano de hasta 20 A y 40 V con una construcción y un disipador de calor adecuados. Algunas funciones se han simplificado, como el uso de un interruptor SPDT para controlar la dirección.

Además, los MOSFET del lado alto son de canal P para simplificar. Con el circuito de conducción adecuado (con bootstrapping), también se podrían utilizar MOSFET de canal N.

El diagrama de circuito completo para este H-Bridge que utiliza MOSFET se muestra a continuación:

Explicación de trabajo

1. El temporizador 555

El temporizador es un circuito 555 simple que genera un ciclo de trabajo de alrededor del 10% al 90%. La frecuencia la establecen R1, R2 y C2. Se prefieren las frecuencias altas para reducir los gemidos audibles, pero esto también significa que se necesita un controlador de puerta más potente. El ciclo de trabajo está controlado por el potenciómetro R2. Obtenga más información sobre el uso del temporizador 555 en modo astable aquí.

Este circuito puede ser reemplazado por cualquier otra fuente PWM como un Arduino.

2. Controlador de puerta

El controlador de puerta es un TC4427 estándar de dos canales, con un disipador / fuente de 1,5 A por canal. Aquí, ambos canales se han puesto en paralelo para obtener más corriente de conducción. Nuevamente, si la frecuencia es más alta, el controlador de puerta debe ser más potente.

El interruptor SPDT se utiliza para seleccionar el tramo del puente en H que controla la dirección.

3. Puente en H

Esta es la parte de trabajo del circuito que controla el motor. Las compuertas MOSFET normalmente son bajadas por la resistencia pulldown. Esto da como resultado que ambos MOSFET de canal P se enciendan, pero esto no es un problema ya que no puede fluir corriente. Cuando la señal PWM se aplica a las puertas de un tramo, los MOSFET de los canales N y P se encienden y apagan alternativamente, controlando la potencia.

Consejos para la construcción del circuito del puente en H

La mayor ventaja de este circuito es que se puede escalar para impulsar motores de todos los tamaños, y no solo motores, cualquier otra cosa que necesite una señal de corriente bidireccional, como inversores de onda sinusoidal.

Cuando use este circuito incluso a bajas potencias, es imprescindible un desacoplamiento localizado adecuado a menos que desee que su circuito tenga fallas.

Además, si construye este circuito en una plataforma más permanente como una PCB, se recomienda un plano de tierra grande, manteniendo las partes de baja corriente alejadas de las rutas de alta corriente.

Por lo tanto, este sencillo circuito H-Bridge es la solución para muchos problemas de conducción de motores, como bidireccionalmente, gestión de energía y eficiencia.