{"id":3634,"date":"2014-03-19T13:50:15","date_gmt":"2014-03-19T12:50:15","guid":{"rendered":"http:\/\/www.diarioelectronicohoy.com\/blog\/?p=3634"},"modified":"2019-06-13T19:27:12","modified_gmt":"2019-06-13T17:27:12","slug":"el-puente-h-h-bridge","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.diarioelectronicohoy.com\/blog\/el-puente-h-h-bridge","title":{"rendered":"El Puente-H (H-Bridge)."},"content":{"rendered":"

INTRODUCCI\u00d3N.<\/h3>\n

Realmente, este art\u00edculo lo tuve que anteponer a otros trabajos que ten\u00eda en perspectiva escribir, para la energ\u00eda solar. As\u00ed empez\u00f3 este trabajo, sobre una materia que hab\u00eda utilizado, pasando sobre ella, de puntillas. De modo que, decid\u00ed describir ciertos detalles de mis propias experiencias en la construcci\u00f3n de un Puente-H. Cosas del tema que, hasta entonces, no hab\u00eda documentado. En este trabajo, tampoco pretendo, ir m\u00e1s all\u00e1 de, dar claridad y disipar algunas dudas que experimenta el lector interesado, en construir un puente-H.<\/p>\n

Me embarqu\u00e9 en la tarea de dise\u00f1ar y probar los dispositivos requeridos, para manejar un sistema de energ\u00eda limpia, como la energ\u00eda solar, me he encontrado con la necesidad de utilizar un puente-H, para poder controlar el obligado cambio de sentido de giro de un motor, en el seguimiento solar. Pens\u00e9 que no pod\u00eda ser tan terrible.<\/p>\n

De modo que, \u00e9ste trabajo, es parte integrante del conjunto de dispositivos que contempla el proyecto. As\u00ed que, me decid\u00ed a escribir y tratar de describir mis experiencias, corrigiendo errores y ampliando lo que he aprendido y que otros tambi\u00e9n han tratado ya.<\/p>\n

Nota.<\/u>\u2013<\/b> Para obtener una comprensi\u00f3n id\u00f3nea de lo que se trata en este trabajo, deber\u00eda tener conocimientos de electr\u00f3nica; es decir, si usted no entiende al menos lo b\u00e1sico del an\u00e1lisis de tiempos y circuitos de l\u00f3gica. Evidente, no est\u00e1 leyendo el art\u00edculo correcto y probablemente usted no ser\u00e1 capaz de seguir el contenido.<\/p>\n

Se puede decir que, un puente-H es un circuito electr\u00f3nico que permite activar los motores el\u00e9ctricos (verdaderos impulsores de mecanismos), ser activados, en un sentido u otro y al mismo tiempo permitir controlar variables como, velocidad y torque de los mismos. Estos circuitos son de uso frecuente en rob\u00f3tica.<\/p>\n

Los puentes H est\u00e1n disponibles como circuitos integrados, o se pueden construir con componentes comunes. Sin embargo, el mundo real y f\u00edsico, nos presenta ciertas dificultades a la hora de operar el puente-H. As\u00ed, entre otros, nos encontramos con la inercia del sistema mec\u00e1nico, la velocidad de respuesta, el torque o fuerza de torsi\u00f3n, sin olvidar el proceso de frenado y detenci\u00f3n adecuados.<\/p>\n

ESTRUCTURA DE UN PUENTE-H.<\/h3>\n

Se pueden construir muchos tipos de puentes-H. Por cierto que, en alguna ocasi\u00f3n he construido y utilizado puentes-H, b\u00e1sicamente con conmutadores electromec\u00e1nicos y con transistores bipolares BJT, despu\u00e9s de todo, aquellos circuitos no fueron tan terriblemente complicados o no los padec\u00ed. Algunos de esos recursos son buenos, otros no lo son tanto.<\/p>\n

El t\u00e9rmino \u201cPuente-H<\/b>\u201d se deriva de la representaci\u00f3n gr\u00e1fica t\u00edpica del circuito. Un Puente-H, se construye con interruptores (mec\u00e1nicos o de estado s\u00f3lido), uno en cada \u201crama lateral\u201d o brazo ascendente y descendente y en la barra central, se encuentran las salidas para el motor, es la forma que se representa dentro de un circuito esquem\u00e1tico simplificado, como el que vemos debajo.<\/p>\n

\"puente-h\"<\/a>Fig. 1<\/p>\n

Cuando los interruptores S1-S4 (seg\u00fan la figura) est\u00e1n cerrados (S2-S3 estar\u00e1n abiertos), el motor ser\u00e1 atravesado por la tensi\u00f3n en una direcci\u00f3n, a la que girar\u00e1 el motor. Ahora bien, si abrimos S1-S4 y cerramos S2-S3 (en este orden) dicha tensi\u00f3n se habr\u00e1 invertido y la operaci\u00f3n, invertir\u00e1 el sentido de giro del motor. Est\u00e1 claro.<\/p>\n

\"giros_en_puente_h\"<\/a>Fig. 2<\/p>\n

Siguiendo la nomenclatura anterior, los interruptores (de una misma rama) S1-S3, nunca deber\u00e1n ser cerrados al mismo tiempo, esto causar\u00eda un cortocircuito en la fuente de tensi\u00f3n de entrada. Lo mismo, ocurre con los interruptores S2-S4. Esta condici\u00f3n, se conoce con el t\u00e9rmino ingles \u201cshoot-through\u201d, algo as\u00ed, como, \u201cpaso a trav\u00e9s\u201d.<\/p>\n

Si los interruptores S1, S2, S3 y S4 est\u00e1n abiertos, el motor estar\u00e1 libre, en cambio si el motor est\u00e1 girando y queremos frenarlo o pararlo, la tensi\u00f3n inducida (fcem) que se genera con la inercia, se debe derivar hacia un sistema llamado de frenado din\u00e1mico<\/b> que veremos m\u00e1s adelante. En general, los cuatro elementos de conmutaci\u00f3n se puede activar y desactivar de forma independiente, aunque hay algunas restricciones evidentes.<\/p>\n

Independientemente de con que construyamos el puente-H, existen unas pocas combinaciones, no permitidas como ya se ha descrito, el resto de combinaciones, se pueden utilizar para lograr distintos resultados. De todos los estados posibles de los interruptores, s\u00f3lo los 5 primeros estados de la siguiente tabla, son los que nos interesan, el resto no est\u00e1n permitidos.<\/p>\n

\"tabla1\"<\/a>Fig. 3<\/p>\n

PUENTE-H CON BJT.<\/h3>\n

El puente-H construido con transistores bipolares (BJT) son la opci\u00f3n r\u00e1pida, son robustos, f\u00e1ciles de dise\u00f1ar, y controlar. La baja potencia que soportan y su muy baja eficiencia son sus mayores limitaciones. El circuito puente-H, realizado con transistores bipolares, nos puede ser \u00fatil en muchos casos. Dependiendo de la potencia de los transistores, aunque tambi\u00e9n se utilizan transistores darlington como los TIP, por ejemplo. A\u00fan as\u00ed, su gran problema es la potencia y calor, por este motivo el puente-H, se aplica con frecuencia en los motores de jugueter\u00eda, peque\u00f1os robots y peque\u00f1as aplicaciones. El siguiente, es un ejemplo de puente-H con pares de transistores NPN y PNP.<\/p>\n

\"puente-h_bipolar\"<\/a>Fig. 4<\/p>\n

De este circuito, nos interesa resaltar la parte correspondiente al puente-H y sus drivers para elegir la direcci\u00f3n de giro del motor M. Podemos destacar la forma de manejar los pares de transistores de ambas ramas, mediante un inversor para cada rama del puente-H.<\/p>\n

EL L293 Y EL L298.<\/h3>\n

Actualmente son muchas la aplicaciones, donde el motor es de baja-mediana potencia, en dichas ocasiones, se utiliza el conocido puente-H con el circuito integrado L293 (la versi\u00f3n L293D incorpora los diodos de protecci\u00f3n), y para mayor potencia se aconseja el uso del L298.<\/p>\n

\"conexiones_l293\"<\/a>Fig.\u00a05<\/p>\n

Este dispositivo lo he utilizado en algunas ocasiones en: el control de motores de corriente continua<\/a>, as\u00ed como en motores bipolares<\/a>, donde se aplica sin entrar a fondo en el puente-H.<\/p>\n

En cuanto al L298, es un integrado con dos puentes H que maneja hasta 2A, que integra dos etapas (A, B) de salida de potencia. La etapa de potencia de salida es una configuraci\u00f3n en puente y sus salidas pueden conducir una carga inductiva en modo com\u00fan o diferencial, dependiendo del estado de las entradas. Para m\u00e1s detalles, vea hojas del fabricante.<\/p>\n

\"l298\"<\/a>Fig. 6<\/p>\n

La corriente que fluye a trav\u00e9s de la carga que sale desde el puente en el sentido salida: una resistencia externa RSA(1) o\/y RSB (15), a masa, permiten detectar la intensidad de esta corriente, mediante un circuito adecuado, se pueden mejorar las prestaciones.<\/p>\n

Cada puente est\u00e1 accionado por medio de cuatro puertas de entrada, las cuales son: In1; In2; ENA e In3; In4; ENB. Cuando la entrada EN es alta, las entradas In definen el estado del puente. Un estado bajo, de la entrada EN (enhable), inhibe el puente. Todas las entradas son compatibles TTL.<\/p>\n

\"control_motor_bidirecion\"<\/a>Fig. 7<\/p>\n

La figura anterior, muestra el esquema de un control bidireccional de motor de CC, para el cual, s\u00f3lo se necesita un puente. El puente externo de diodos D1 a D4, se hace con cuatro elementos de recuperaci\u00f3n r\u00e1pida (trr \u2264 200 nanosegundos) que deben ser elegidos de una Vf tan baja como sea posible, en el peor de los casos, de la corriente de carga.<\/p>\n

Un condensador cer\u00e1mico, por lo general de 100 nF, debe proveerse entre ambas tensiones Vs ; Vss, y tierra, lo m\u00e1s cerca posible a estos pines y GND. Cuando el gran condensador de la fuente de alimentaci\u00f3n, est\u00e1 demasiado lejos del IC, un segundo condensador m\u00e1s peque\u00f1o debe ser provisto cerca del L298.<\/p>\n

Estos integrados, son buenos para tareas simples, no solo debe considerarse la corriente continua, sino tambi\u00e9n los picos que se presentan cuando el motor arranca y o cuando esta bloqueado. A veces esta corriente, puede ser de hasta 4 veces o m\u00e1s. El performance<\/em>, de estos integrados es algo limitado. En caso de usar PWM, verificar que, la frecuencia de la PWM sea adecuada para este integrado.<\/p>\n

Una forma muy eficiente de controlar un puente-H, consiste en utilizar la regulaci\u00f3n por ancho de pulso o PWM. Como ya sabemos, una se\u00f1al PWM, es una se\u00f1al cuadrada con un ancho de pulso variable. El ancho de los pulsos del generador, var\u00eda del 5% al 95%, lo que se conoce como, ciclo de trabajo (Duty Cycle<\/strong>). Mediante una resistencia variable, la tensi\u00f3n es controlada, adecuando al ancho del pulso.<\/p>\n

MODULACI\u00d3N POR ANCHO DE PULSO O PWM.<\/h3>\n

Si por ejemplo, intentamos mover un motor de corriente continua de 12V, a la mitad de su r\u00e9gimen normal, no es buena idea, aunque sea lo primero que se nos ocurra. Aplicarle la mitad de la tensi\u00f3n de r\u00e9gimen, 6V para lograrlo, en ese caso no ser\u00eda capaz de mover el eje, como ser\u00eda de esperar. Esto, s\u00f3lo producir\u00eda una perdida de energ\u00eda mediante calor por la corriente que atraviesa el motor, sin llegar a moverlo, debido a la inercia y la probable carga aplicada el motor.<\/p>\n

En cambio, que ocurre, si aplicamos toda la tensi\u00f3n nominal 12V por un s\u00f3lo instante y la cortamos, repetidas veces, posiblemente al principio el motor intente moverse, venciendo la inercia y con suerte acabare girando con un r\u00e9gimen inferior al normal. Por tanto, si aplicamos muchos impulsos por segundo, de forma reiterada, el motor comenzar\u00e1 a girar y por la propia inercia del sistema aplicado a su eje, se mantendr\u00eda en marcha el motor.<\/p>\n

Este es el principio que sigue el m\u00e9todo PWM, para su funcionamiento. Al conectar y desconectar de manera controlada y durante tiempos ajustables la alimentaci\u00f3n, para de este modo, lograr variar la velocidad, sin perder capacidad de tracci\u00f3n, o fuerza.<\/p>\n

Esta situaci\u00f3n se pone especialmente de relieve en aquellas aplicaciones en las que se requiere de una operaci\u00f3n continuada a bajas velocidades y actuando con un par alto sobre la carga, ya que en estas condiciones, la fcem del motor es muy baja (baja velocidad de giro) y la corriente de armadura es muy alta (alto par), con lo que la potencia puesta en juego es muy alta.<\/p>\n

S\u00f3lo para actualizar conocimientos. Recordemos que la modulaci\u00f3n por ancho de pulso o PWM, es una t\u00e9cnica ampliamente utilizada en circuitos electr\u00f3nicos de potencia y consiste en controlar la relaci\u00f3n entre el Tiempo de Encendido<\/em><\/strong> (ton<\/sub><\/strong>) y el periodo<\/strong><\/em> (T<\/strong>), tambi\u00e9n conocido como Ciclo \u00fatil<\/em><\/strong> (o Duty Cycle) de una onda cuadrada sin alterar su frecuencia.<\/p>\n

La imagen que sigue, mediante el vers\u00e1til circuito integrado NE555, un temporizador muy estable de 8 pines, como ya se menciona en otros art\u00edculos, probablemente sea uno de los circuitos integrados m\u00e1s vers\u00e1tiles de todos los tiempos, sencillo, requiere solo de unos pocos componentes adicionales para su utilizaci\u00f3n.<\/p>\n

\"555block\"<\/a>Fig. 8<\/p>\n

El NE555, utilizado como oscilador astable, permite el control de dispositivos como l\u00e1mparas o motores, mediante esta t\u00e9cnica conocida como PWM<\/b>(Pulse Wide Modulation) o Modulaci\u00f3n por Ancho de Pulso. Dado que es tan utilizada, merece que veamos algunas de las caracter\u00edsticas m\u00e1s asociadas a ella.<\/p>\n

\"ciclo_util\"<\/a>Fig. 9<\/p>\n

El NE555, ha sido utilizado en bajas frecuencias, en alarmas, encendido de l\u00e1mparas, etc. Ahora, nos interesa la funci\u00f3n astable, con la cual generaremos una frecuencia, de ancho variable, mediante un potenci\u00f3metro. Observe que, el voltaje medio Vm, sube a medida que el tiempo de encendido de la onda se aproxima al valor del periodo de la misma, en el siguiente circuito.<\/p>\n

\"puente_h_555\"<\/a>Fig. 10<\/p>\n

Respecto del circuito NE555 en su funci\u00f3n como astable y con relaci\u00f3n c\u00edclica variable, sin duda que, si usted busca en la red, encontrar\u00e1 gran n\u00famero de circuitos que cumplen con los requisitos.<\/p>\n

EJEMPLO CON 555.<\/h4>\n

Veamos aqu\u00ed, como hacer un controlador para motor CC con t\u00e9cnica de regulaci\u00f3n PWM. Incluye un puente bipolar de conmutaci\u00f3n para poder tener un control bidireccional del motor (el circuito aparece en forosdeelectr\u00f3nica.es<\/span>, lo que agradezco desde aqu\u00ed).<\/p>\n

\"regulador_motor_bidireccional_pwm\"<\/a>Fig. 11<\/p>\n

A trav\u00e9s del potenci\u00f3metro REG de 10K se logra modificar la frecuencia del oscilador astable, la se\u00f1al generada, se env\u00eda a trav\u00e9s de un transistor separador, a ambos lados del puente-H formado por los cuatro transistores TIP que lo forman, lo que permitir\u00e1 la regulaci\u00f3n de velocidad del motor, los puntos A y B, se conectan a un circuito CMOS \u00f3 TTL para decidir el sentido de giro del mismo.<\/p>\n

Este es el PCB del anterior circuito, en el que destacan cuatro grupos de terminales; dos para la alimentaci\u00f3n, dos para el motor, tres para el control de las se\u00f1ales A-B (y masa) y un cuarto terminal para el potenci\u00f3metro de 10K. Este circuito est\u00e1 estudiado para una tensi\u00f3n de alimentaci\u00f3n de hasta 30V, con unos m\u00ednimos cambios se puede conseguir una mayor tensi\u00f3n. Para descargar<\/a>.<\/p>\n

\"puente-h_pwm\"<\/a>Fig. 12<\/p>\n

Por cierto, te\u00f3ricamente est\u00e1 todo correcto, este circuito no lo he probado, de modo que cada uno asume su responsabilidad en esta ocasi\u00f3n. No est\u00e1 contemplado la posibilidad de frenado, esto se ver\u00e1 m\u00e1s adelante.<\/p>\n

El ancho de pulso en este circuito se puede variar desde 5% a 95%. Utilizado en un regulador, este circuito controla la velocidad del motor, el torque del motor depende de la anchura de 5% (baja potencia \/ velocidad) a 95% (potencia\/velocidad).<\/p>\n

El circuito que vamos a hacer ahora, es un circuito con PWM aplicado al puente-H, realmente es una mejora bastante evidente del esquema anterior. Este es el circuito:<\/p>\n

\"copia-de-555_puente-h_con_pwm\"<\/a>Fig. 13<\/p>\n

De este circuito, nos interesa resaltar la parte correspondiente al puente-H y sus drivers para elegir la direcci\u00f3n de giro del motor M. Podemos destacar la forma de manejar los pares de transistores de ambas ramas. Vayamos por partes: de un lado tenemos una entrada de se\u00f1al PWM, generada por el circuito integrado 555 y sus componentes asociados. Dicha se\u00f1al, ataca a trav\u00e9s de sendas resistencias de 4K7\u03a9, a las dos ramas del puente-H (que son, los cuatro transistores del puente-H).<\/p>\n

Tranquilos, con este esquema, no pasa nada por atacar los cuatro transistores del puente-H a pesar de que, est\u00e1 formado por NPN (TIP31\/ 120\/ 121) arriba y PNP (TIP32\/ 125\/ 126) abajo. Veamos con m\u00e1s detalle, este punto.<\/p>\n

\"puente-h_con_pwm\"<\/a>Fig. 14<\/p>\n

Que ocurre al llegar un pulso H<\/b> a R5 y R6. Dicha se\u00f1al las atraviesa y por el camino m\u00e1s f\u00e1cil (los diodos D3 y D8) alcanza las bases de los transistores Q4 y Q6 que se activan en saturaci\u00f3n, y la corriente fluye por ambos, desde el +Vcc, atacando al motor por sus dos terminales, con una tensi\u00f3n positiva, lo que lleva al bloqueo del motor, por otra parte, los transistores PNP, de la parte de bajo estar\u00e1n cortados, ya que la se\u00f1al que llega a sus bases, es positiva y los pone en corte. Se puede ver un corto v\u00eddeo pulsando en el enlace que sigue:<\/p>\n