H simple

Al principi, conduir un motor pot semblar una tasca fàcil: només cal que enganxeu el motor al rail de tensió adequat i començarà a girar. Però aquesta no és la manera perfecta de conduir un motor, sobretot quan hi ha altres components implicats en el circuit. Aquí analitzarem una de les formes més utilitzades i eficients de conduir motors de CC: el circuit H-Bridge.

Conducció del motor

El tipus de motor més comú que podeu trobar en cercles d’aficionats per a aplicacions de baixa potència és el motor de 3 V CC que es mostra a continuació. Aquest tipus de motor està optimitzat per a un funcionament de baixa tensió a partir de dues cel·les de 1,5V.

I funcionar-lo és tan senzill com connectar-lo a dues cel·les: el motor s’encén a l’instant i funciona sempre que les bateries estiguin connectades. Tot i que aquest tipus de configuració és bona per a aplicacions “estàtiques” com un molí de vent o un ventilador en miniatura, quan es tracta d’una aplicació “dinàmica” com els robots, es necessita més precisió, en forma de control de velocitat i parell variable.

És obvi que la disminució de la tensió del motor disminueix la velocitat i la bateria esgotada resulta en un motor lent, però si el motor s’alimenta des d’un carril comú a més d’un dispositiu, es necessita un circuit de conducció adequat.

Això fins i tot pot tenir la forma d’un regulador lineal variable com el LM317: la tensió del motor es pot variar per augmentar o disminuir la velocitat. Si es necessita més corrent, aquest circuit es pot construir discretament amb uns quants transistors bipolars. L’ inconvenient més gran d’aquest tipus de configuració és l’eficiència: igual que amb qualsevol altra càrrega, el transistor dissipa tota la potència no desitjada.

La solució a aquest problema és un mètode anomenat PWM o modulació d’amplada de pols. Aquí, el motor és accionat per una ona quadrada amb un cicle de treball ajustable (la relació entre el temps i el període del senyal). La potència total lliurada és proporcional al cicle de treball. En altres paraules, el motor s’alimenta durant una petita fracció del període de temps, de manera que amb el pas del temps la potència mitjana del motor és baixa. Amb un cicle de treball del 0%, el motor està apagat (no circula corrent); amb un cicle de treball del 50%, el motor funciona a la meitat de la potència (la meitat del consum actual) i el 100% representa la potència màxima al consum màxim de corrent.

Això s’implementa connectant el costat alt del motor i accionant-lo amb un MOSFET de canal N, que torna a ser accionat per un senyal PWM.

Això té algunes implicacions interessants: un motor de 3V es pot conduir mitjançant un subministrament de 12V mitjançant un cicle de treball baix, ja que el motor només veu la tensió mitjana. Amb un disseny acurat, això elimina la necessitat d’una font d’alimentació del motor independent.

I si cal invertir la direcció del motor? Normalment, això es fa canviant els terminals del motor, però es pot fer elèctricament.

Una opció podria ser utilitzar un altre FET i un subministrament negatiu per canviar de direcció. Això requereix que un terminal del motor estigui permanentment connectat a terra i l’altre connectat a l’alimentació positiva o negativa. Aquí, els MOSFET actuen com un commutador SPDT.

No obstant això, existeix una solució més elegant.

El circuit del conductor del motor del pont H

Aquest circuit s’anomena pont H perquè els MOSFET formen les dues curses verticals i el motor forma la carrera horitzontal de l’alfabet “H”. És la solució senzilla i elegant a tots els problemes de conducció del motor. La direcció es pot canviar fàcilment i es pot controlar la velocitat.

En una configuració de pont H, només s’activen els parells de MOSFET diagonalment oposats per controlar la direcció, tal com es mostra a la figura següent:

Quan s'activa un parell de MOSFET (diagonalment oposats), el motor veu fluir el corrent en una direcció i quan s'activa l'altre parell, el corrent a través del motor inverteix la direcció.

Els MOSFET es poden deixar activats per completar la potència o editar PWM per regular la potència o apagar-se per deixar que el motor s’aturi. Activar els MOSFET inferiors i superiors (però mai junts) frena el motor.

Una altra manera d'implementar H-Bridge és utilitzar 555 temporitzadors, que vam comentar en el tutorial anterior.

Components necessaris

Pel pont H

• Motor de corrent continu
• 2 MOSFET IRF3205 de canal N o equivalent
• 2 MOSFET IRF5210 de canal P o equivalents
• 2x resistències 10K (desplegable)
• 2x condensadors electrolítics 100uF (desacoblament)
• Condensadors ceràmics 2x 100nF (desacoblament)

Per al circuit de control

• 1 temporitzador 555 (qualsevol variant, preferiblement CMOS)
• 1x TC4427 o qualsevol controlador de porta adequat
• 2x 1N4148 o qualsevol altre senyal / díode ultraràpid
• 1x potenciòmetre 10K (sincronització)
• 1x resistència 1K (temporització)
• Condensador de 4,7 nF (temporització)
• Condensador de 4,7 uF (desacoblament)
• Condensador ceràmic 100nF (desacoblament)
• Condensador electrolític de 10uF (desacoblament)
• Commutador SPDT

Esquemes del circuit H-Bridge simple

Ara que ja tenim la teoria fora del camí, és hora d’embrutar-nos les mans i construir un conductor de motor de pont en H. Aquest circuit té prou potència per accionar motors de mida mitjana fins a 20A i 40V amb una construcció i un dissipació de calor adequats. S'han simplificat algunes funcions, com l'ús d'un commutador SPDT per controlar la direcció.

A més, els MOSFET de banda alta són de canal P per simplificar. Amb el circuit de conducció adequat (amb arrencada d’arrencada), també es podrien utilitzar MOSFET de canal N.

A continuació es mostra el diagrama complet del circuit d’aquest pont H mitjançant MOSFET:

Explicació de treball

1. El temporitzador 555

El temporitzador és un senzill circuit 555 que genera un cicle de treball d’entre el 10% i el 90%. La freqüència està establerta per R1, R2 i C2. Es prefereixen les freqüències altes per reduir els plors sonors, però això també significa que es necessita un controlador de porta més potent. El cicle de treball està controlat pel potenciòmetre R2. Obteniu més informació sobre l’ús del temporitzador 555 en mode astable aquí.

Aquest circuit es pot substituir per qualsevol altra font PWM com un Arduino.

2. Controlador de porta

El controlador de porta és un TC4427 de dos canals estàndard, amb una font de dissipador / font d'1,5 per canal. Aquí, els dos canals han estat paral·lels per obtenir més corrent de conducció. De nou, si la freqüència és més alta, el controlador de la porta ha de ser més potent.

L'interruptor SPDT s'utilitza per seleccionar la pota del pont H que controla la direcció.

3. Pont H

Aquesta és la part de treball del circuit que controla el motor. Les portes de MOSFET normalment són arrossegades per la resistència de desplaçament. Això fa que els MOSFET del canal P s'encenguin, però això no és un problema, ja que no pot fluir cap corrent. Quan el senyal PWM s'aplica a les portes d'una cama, els MOSFET dels canals N i P s'encenen i s'apaguen alternativament, controlant la potència.

Consells sobre la construcció de circuits del pont H

L’avantatge més gran d’aquest circuit és que es pot escalar per accionar motors de totes les mides i no només motors, qualsevol altra cosa que necessiti un senyal de corrent bidireccional, com ara inversors d’ona sinusoïdal.

Quan s’utilitza aquest circuit fins i tot a baixes potències, és imprescindible un correcte desacoblament localitzat, tret que es vulgui que el seu circuit tingui problemes.

A més, si es construeix aquest circuit en una plataforma més permanent com un PCB, es recomana un gran pla de terra, mantenint les parts de baix corrent allunyades dels camins de corrent alt.

Per tant, aquest senzill circuit H-Bridge és la solució per a molts problemes de conducció del motor, com ara bidireccional, gestió de potència i eficiència.