domingo, 25 de marzo de 2012

Puente H para motores corriente continua.

Para controlar motores mediante circuitos electrónicos es necesario el empleo de dispositivos especiales, para los motores de corriente continua (CC) algunos dispositivos empleados suelen ser bastantes costosos, una solución simple y practica es emplear una configuración especial que se llama puente H.

El puente H gana su nombre por la mera configuración de componentes en forma de H, este permite a un motor eléctrico CC girar en ambos sentidos, adelante y atrás.

Un puente H se construye con 4 interruptores (mecánicos o con semi-conductores). Cuando los interruptores S1 y S4 (figura 1) están cerrados (y S2 y S3 abiertos) se aplica una tensión positiva en el motor, haciéndolo girar en un sentido. Abriendo los interruptores S1 y S4 (y cerrando S2 y S3), el voltaje se invierte, permitiendo el giro en sentido inverso del motor.

En la imagen un puente H típico, y los cambios de giro al aplicar los diferentes conmutadores.
Como ya se menciono el puente H se usa para invertir el giro de un motor, pero también puede usarse para frenarlo (de manera brusca), al hacer un corto entre las bornes del motor, o incluso puede usarse para permitir que el motor frene bajo su propia inercia, cuando desconectamos el motor de la fuente que lo alimenta. En el siguiente cuadro se resumen las diferentes acciones.


S1
S2
S3
S4
Resultado
0
0
0
0
El motor se detiene por inercia
0
1
1
0
El motor gira en atrás
1
0
0
1
El motor gira en adelante
1
1
0
0
El motor frena (fast-stop)

En este tipo de circuitos es emplear interruptores electrónicos (como Transistores, IGBT), por su durabilidad y velocidad de conmutación. Además los interruptores electrónicos se acompañan de diodos (conectados a ellos en paralelo) por lo general de alta velocidad y que permiten a las corrientes circular en sentido inverso, para evitar la corrientes inversas producto de cambio de giro y parado del motor. una implementación típica en la figura siguiente.

Puente H con transistores
Existen variaciones de este circuito, transistores Fet, Mosfet, Reles, arreglos Darlington, etc. pero en general la funcionalidad y el concepto básico es el mismo. Sin embargo es necesario conectar la base de dos transistores a la vez para lograr la correcta conmutación un a mejor aproximación sera.


Circuito propuesto para el control básico.
Si bien el puente H funciona correctamente es necesario eliminar algunas combinaciones no deseadas o mejor prohibidas, por protección de los motores o los dispositivos de conmutación una caso típico que puede ocurrir es por ejemplo, que ocurre si se activan los conmutadores Q1 y Q3 al mismo tiempo.



La corriente circula sin carga como consecuencia los conmutadores se dañan y posiblemente los diodos de protección.

Bien, para lograr solucionar este problema se debe diseñar un circuito combinacional (compuertas lógicas) para anular e incluir funcionalidades al controlador dado que la combinación de Fast-stop. no esta implementada de manera sencilla, y para economizar en señales de control.



A
B
S1
S2
S3
S4
Resultado
0
0
0
0
0
0
El motor se detiene por inercia
0
1
0
1
1
0
El motor gira en atrás
1
0
1
0
0
1
El motor gira en adelante 
1
1
1
1
0
0
El motor frena (fast-stop)

Esta tabla muestra el conjunto de salidas deseadas. y por supuesto eliminando y agregando las funcionalidades extras. se observa que cumple todas las combinaciones posibles y sus respectivas salidas.

La ecuaciones son:

implantando con compuertas NOR 


Implantadas solo con compuertas NOR se observa en el siguiente diagrama.
Implantación con compuertas NOR. 
De esta forma discriminamos las combinaciones como S1-S3 y S2-S4, indeseadas y agregamos las que requerimos como el fast stop S1-S2.

Nota: se implanta solo con compuertas NOR, pero es posible hacerlo con otro tipo de compuertas, como por ejemplo una implantación solo con compuertas NAND y otra forma con inversores y compuertas AND.

La razón especifica de implantar con compuertas NOR es que solo se utilizará un IC que contiene internamente 4 compuertas NOR por ejemplo TTL 74LS02 o similar.

El nuevo circuito incluyendo el control es el siguiente.


Puente H con Control de giro, parada rápid  
Y finalmente tenemos un circuito de control de motores CC bastante completo para cualquier aplicación. a continuación un vídeo de la simulación del circuito propuesto.


En una próxima entrada montaremos en protoboard el diseño para controlar un pequeño motor CC. Montaje Proto.

Nos vemos...

8 comentarios:

  1. Respuestas
    1. Hola Manuel Gracias por leernos, son de 1k lee el post de el montaje en proto que hay algunas consideraciones del montaje.

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  2. No comprendo la deducción lógica que llevas a cabo en tu tabla, las puedes explicar mejor?

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    1. Saludos Taty, Gracias por leernos, Las tablas son la implantación practica en compuertas lógicas y transistores del puente H mecánico (con suiches), en ella se piensan en, los transistores como interruptores y responden de forma similar a la propuesta mecánica, esta tabla representa en "1´s" y "0´s" si el interruptor esta activo ("1") ó apagado ("0").
      En la imagen del la simulación con interruptores mecánicos se puede apreciar el sentido de las corrientes en un motor DC con las combinaciones de estos interruptores activos o apagados el motor responde de una forma especifica que son mostradas en las tablas
      Espero que sea un poco mas claro...
      Saludos
      AngelX

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  3. Yo supongo que al ser salida digitales de las compuertas...esas salidas van de 0 a 3.3v mas o menos hablando analogicamente no?Ahora supongamos que queremos controlar un motor de 12 v ,ya digamos de 6 v en todo caso,para que los transistores trabajen en conmutacion (osea como switches) deben conmutar entre la zona de corte y la zona de saturacion...Pero la condicion para que entren en saturacion es que ya estando su Vbe=0,7,para un NPN ,el voltaje de base debe ser mayor que el voltaje de colector.Si se alimenta las bases de los transitores con un voltaje bias de 3,3v aprox equivalente a un 1 logico,los transitores en el caso de un giro horario o antihorario,por ejemplo el par Q3 y Q2,el Q3 trabajaria en la zona activa! y no en saturacion,como deberia trabajar en el puente H por las perdidas que se podrian producir... por tanto si el VCC = 6 para el motor de 6 v ,estando en zona activa en el motor caeria masomenos la mitad o menos,y para un motor de 12v,una vcc = 12 voltios seria peor...entonces como puedes polarizar las bases con un voltaje logico,ya que es el voltaje que sale de las compuertas?Espero me puedas responder...Un saludo

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    1. Hola D4RKY3000, gracias por leernos, tus consideraciones son correctas los voltajes de polarización no son adecuados para este circuito, en el montaje en protoboard se encontraron esos problemas las soluciones se describen en la entrada del blog http://electrocirc.blogspot.com/2012/04/puente-h-practico-protoboard.html
      la elección de los transistores es de suma importancia para que tenga un correcto funcionamiento.
      Attm
      AngelX

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  4. la primera tabla que es realizado esta mala, solo se pueden activar los switches en forma diagonal y horizontal, si lo activas de forma vertical estas haciendo un corto circuito.
    me explico en la tabla as puesto que s1+s3 giraban el motor hacia atras y s2+s4 hacia delante.
    y ps devido a esto esta mal por que s1+s3 y s2+s4 estan en forma vertical.

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    1. Hola Alexis, Gracias por leernos, tienes toda la razón, si se activa s1 y s3 hay un corto en la alimentación lo corregiré en la brevedad.

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