Robo Silla. Entrega 2. El puente H

Uno de las partes que costo más trabajo en este proyecto fue el puente H. Probé varios tipos de puentes H durante mi carrera pero para el caso de estos motores tenía una pequeña dificultad. La carga que requieren manejar son 24 Volts a 6 Amperes.

Son motores potentes pero que requieren consideraciones importantes, número uno, a esa corriente los contactos de un relevador causan una chispa que llega a fundirlos, creando un corto circuito fatal…créanme.

Los puentes H con transistores son una opción para corrientes de 1 A, quizás 3 pero más corriente los componentes se vuelven caros y difíciles de conseguir.

A este punto los MOSFET parecían una opción razonable, elegante, hasta bonita… supongo que no tenia claro a que me enfrentaba.

Existe mucha información y muchísimas aplicaciones de corriente con MOSFET. Al ser controlados por voltaje permite el uso de corrientes muchísimo mas grandes que los transistores. Al no tener partes móviles su tiempo de vida es más largo que un relevador y existen varias técnicas para control de flujo de corriente.

En palabras llanas, ya que en si su funcionamiento no es tan simplista, haciendo una analogía si tuviéramos una mangera por la que circula agua, la manguera fuera el conductor y el agua la corriente de electrones, un MOSFET sería como una válvula, mientras más apretada menos flujo de agua.

En otras palabras estaremos usando el MOSFET para controlar la cantidad de corriente que deseamos administrar (En este caso para un motor de corriente directa).

El funcionamiento de un MOSFET lo podemos usar del siguiente modo: en la zona de saturación y , entiendase como contacto on /off.

Cuando el voltaje entre la compuerta y la fuente (Vgs) es mayor al voltaje de el voltaje de umbral (Vth) el mosfet crea un canal entre las dos terminales tipo N. Esto es superando el voltaje de umbral tendremos conducción entre ambas terminales.

Hasta ahí sencillo. Ahora si queremos controlar un motor en este ejemplo de manera no reversible con un transistor de este tipo podemos usar el siguiente diagrama.

Yeap así de sencillo, donde L1 es la bobina de nuestro motor, ahora tengan cuidado con el diodo que eligen si es muy chiquito no regulara y se fundirá. Y en VDD seria la salida de nuestro microcontrolador, claro que supere el valor de Vgs de umbral.

Ahora hacer un puente H no es así de simple. También conocido como “puente completo”, adopta la letra H para su nombre debido a la forma que presenta dentro de un circuito esquemático simplificado En la barra central se encuentra ubicado el motor y en cada “rama lateral” ascendente o descendente se ubican los conmutadores que, activados de manera apropiada, brindarán al sistema los movimientos necesarios para que el motor utilizado pueda girar en un sentido u otro.

Si por ejemplo, se cierran los contactos SW3 y SW2 tendremos un sentido en el motor, mientras que si activamos SW4 y SW1, tendremos un sentido contrario al anterior. En caso de cerrar SW2 y SW4 ó SW1 y SW3, tendremos una condición de paro rápido, debido a que la fuerza electromotriz generada en las bobinas debido a la inercia del movimiento del rotor queda anulada por el cortocircuito en dichas bobinas. Esto provoca un desaceleramiento en el motor. En los casos donde SW1 y SW2 ó SW3 y SW4 sean encendidos, o todos a la vez, causara un corto circuito y un completo desastre.

Para cada contacto lo sustituimos con un MOSFET.  Cada transistor debe ser excitado en la compuerta con un voltaje entre las terminales de compuerta y fuente de 2 a 4 volts mínimo de activación Vgs (th). Conmutando de manera adecuada los transistores de efecto de campo se puede invertir el giro. En amarillo se muestran los MOSFET activados correctamente para que el motor gire en ambos sentidos.

Hasta aquí todo es bonito pero hay un detalle. Si se observa el diagrama del puente H en el momento de la activación  en la rama superior el potencial en la fuente y en el drenaje estarán muy cercanos, por lo cual se necesita un voltaje V_GS superior a la fuente para poder conmutar el transistor. En el punto S con respecto a tierra tendremos un potencial igual a 24 V. el potencial referido a el punto S de el punto G deberá ser superior a 4 V. Este voltaje si es medido con respecto a la tierra del sistema será de 28 V o superior, y esto es un problema ya que seguramente en nuestra aplicación no tenemos más voltaje que el que aplicamos al motor. Este obstáculo podría librarse si se utilizaran MOSFET de canal P en la parte superior, pero estos son mucho más costosos y difíciles de conseguir que los de canal N

Una solución rápida seria utilizar elevadores de voltaje o “Step ups” que permiten elevar el voltaje utilizando una pequeña fuente conmutada. Un circuito útil es el MC34063 que con una sencilla configuración podemos superar el voltaje.

Pero una mejor solución a mi parecer es utilizar un driver de MOSFET. El IR2110 es un circuito que ya viene completamente acoplado para poder manejar la rama inferior y superior de un puente H entre otras aplicaciones. Fácil aplicación pero tiene un detalle, este chip es para conmutarse a alta frecuencia utilizando PWM (Modulacion del Ancho de Pulso) eso significa que si encendemos la parte alta del driver esta conmutara la energía almacenada en el capacitor de boostrap, pero si a dejamos encendida el capacitor se descarga y el transistor se apaga.

Esto dificulta la operación continua del motor ya que se necesita mayor tiempo de operación. Esto es resuelto con un circuito ICM7555 que es la versión CMOS del famoso temporizador 555. En la configuración astable, los diodos D10 y D11 en configuración charge pump, oscilan a 7 KHz y cargan continuamente el capacitor de arranque colocado en el controlador IR2110.

Los transistores inferiores Q2 y Q4 son activados por el controlador sin dificultades ya que Vgs está referenciado a tierra.

Se añadieron los diodos MUR1610CT y MUR1610CTG para la protección del circuito, pues las corrientes inversas producidas por la inercia de los rotores en el momento del cambio de giro son perjudiciales y pueden llegar a dañar el puente y el sistema completo.

Ahora podemos ahorrarnos el charge pump si en la entrada de las partes altas del puente H colocamos una frecuencia de hasta 5 MHz a un 99% del PWM, en el lapso en el que esta en estado bajo el capacitor se carga de nuevo y se descarga sobre la compuerta del MOSFET.

El diagrama completo, es el siguiente:

Yo seleccione los MOSFET IRFZ44 puesto que tienen buen desempeño, pero pueden utilizar cualquier MOSFET de canal N que satisfaga sus necesidades

Los archivos vienen aquí. Existen dos placas de puente H que hice, una de dos caras con circuitos de montaje superficial (Para programa Design Spark http://www.designspark.com/) y la otra con encapsulados DIP de una sola cara (Altium Designer): Diagramas

Espero no le haya aburrido 😛 Suerte con sus prototipos y cualquier duda pregúntenos en twitter @electronomadas o en Facebook /NomadasElectronicos . Un saludo y felices circuitos

Anuncio publicitario