DISEÑO Y ANÁLISIS DE UN PUENTE H

Generalmente cuando estamos desarrollando proyectos con microcontroladores nos hemos visto en la necesidad de controlar actuadores para que generen ciertos movimientos. Ya sea que requieramos que un pistón neumático se active, o que una electroválvula deje pasar agua a través de ella o que necesesitemos que un motor gire para un lado y luego para el otro. Para poder controlar el movimiento de un motor es necesario construir o comprar una etapa de potencia, ya que vamos a alimentar al motor con una fuente de poder de distinto voltaje y los dispositivos de la etapa de potencia van a manejar corrientes muy superiores a las que pueden manejar los dispositivos digitales. Esta etapa de potencia debe ser compatible con niveles TTL (0 ó 5 volts) si es que estamos usando un microprocesador, una computadora o circuitos lógicos digitales.

El circuito que requerimos es el llamado "Puente H" y está diseñado para hacer que el motor gire para la derecha, gire para la izquierda o que se detenga rápidamente. Este puente funciona de una manera muy sencilla. Pero antes de explicar el funcionamiento de dicho circuito, hay que describir las condiciones que debemos de satisfacer para que el motor realice sus funciones, así como vemos en la tabla siguiente:

Movimiento Requerido	Diferencia de Potencial en sus terminales	Voltaje en la Terminal A	Voltaje en la Terminal B
Gire a la derecha	Positiva (+10v)	10 volts	0 volts
Gire a la izquierda	Negativa (-10v)	0 Volts	10 Volts
Que esté parado	Cero	0 Volts	0 Volts
Que esté parado	Cero	10 Volts	10 Volts

Como se ve en la tabla, hay solo tres movimientos requeridos y cuatro posibles condiciones para reproducir esos movimientos. Hay que recordar que todos los voltajes son medidos con respecto a tierra y que para que exista una diferencia de potencial entre las terminales del motor, debe de haber dos potenciales diferentes. Por eso es que para parar el motor no debe de existir diferencia de potencial en sus terminales, pero sí pueden tener las dos terminales el mismo potencial CON RESPECTO A TIERRA.

Para explicar el principio de funcionamiento del puente H vamos a suponer que tenemos un motor que se alimenta con una fuente de 10 volts. Y para hacer que gire a la derecha necesitamos conectar el positivo de la fuente a la terminal A del motor y el negativo a la terminal B del motor. Si necesitamos hacer que gire el motor a la izquierda, habria que conectar el positivo de la fuente al terminal B y el negativo al A. Pero si quicieramos hacer que se pare el motor simplemente debemos de conectar los dos terminales a un solo borne de la fuente. El puente H hace exactamente lo mismo. Y podemos ejemplificar su funcionamiento en la siguiente figura:

En ella se ve que para que este motor gire en un sentido se tiene que cerrar los interruptores A y D y para que gire en otro sentido se tienen que cerrar los interruptores B y C. Y para pararlo se abren los interruptores C y D o A y B. PERO JAMÁS DEBE DE CERRARSE LOS INTERRUPTORES A Y C ni BY C por que causarían un corto circuito en la fuente de alimentación.

Ahora bien, el puente H es un circuito electrónico de potencia y en vez de usar interruptores o relevadores utiliza transistores especiales que son llamados de potencia. Ya sean BJTs o FETs los transistores deben de trabajar en modo de corte y saturación. Como todos recordaremos un transistor en corte es igual que un interruptor abierto, por que no deja pasar corriente por sus terminales. Y un transistor en saturación es como un interruptor cerrado que deja pasar toda la corriente que circula por la maya y además no consume voltaje. Claro que esto no es estrictamente cierto refiriendonos a los transistores, por que siempre van a consumir un pequeño voltaje y que es al rededor de los 0.3 volts.

La ventaja de utilizar transistores en vez de interruptores es que los podemos controlar con señales electricas de baja potencia y por la que circulará una corriente minúscula. Así podemos hacer una interfase entre dispositivos lógicos y dispositivos de potencia. Para que un puente H funcione y pueda realizar todos los movimientos requeridos de la tabla anterior, necesita dos señales lógicas que le van a indicar que movimiento debe hacer el motor. Y en la siguiente tabla de verdad tenemos descrito el funcionamiento de un Puente H.

SÑ1	SÑ2	A	B	C	D	Comentario	Estado del Motor
0	0	Cerrado	Cerrado	Abierto	Abierto	No hay diferencia de potencial en el motor	El motor está parado
0	1	Cerrado	Abierto	Abierto	Cerrado	Existe diferenica de potencial (+) en A y (-) en D	El motor gira para la izquierda
1	0	Abierto	Cerrado	Cerrado	Abierto	Existe diferencia de potencial (+) en B y (-) en C	El motor gira para la derecha
1	1	Abierto	Abierto	Cerrado	Cerrado	No hay diferencia de potencial en el motor	El Motor está parado

Como podemos ver en la tabla de verdad anterior el interruptor A se activa cuando la señal SÑ1 esta activa y el interruptor C se activa cuando la señal SÑ1 está en cero. En otras palabras el interruptor A es activado por la señal SÑ1 y el interruptor A es activado por la negación de la señal SÑ1.

Teniendo en cuenta las ecuaciones anteriores podemos observar que el puente H consta de dos partes. La parte que está controlada por la señal SÑ1 y la parte controlada por la señal SÑ2. Y que las dos partes son exactamente iguales. Por tanto si analizamos una mitad del puente H habremos entendido bien su funcionamiento.

Entonces vamos a analizar el puente H en la mitad que es controlada por la señal SÑ1 y que está formada por los interruptores A y C. Vamos a substituir los interruptores por transistores que funcionen en corte y saturación. Así hemos remplazado el interruptor A por el transistor QA y el interruptor C por el transistor QC. Hay que recordar que donde tenemos el riesgo de hacer un corto circuito, es si abrimos los interruptores A y B al mismo tiempo. Y para que esto nunca pase se le añadió un transistor QI1 que tiene la función de invertir la señal de entrada (SÑ1). Así jamás entraran en saturación los dos transistores al mismo tiempo y aseguramos el buen funcionamiento del circuito. Vease la figura a continuación:

Empecemos nuestro analisis por definir nuestras entradas y nuestras salidas. La entrada está dado por la fuente de poder de 5v SÑ1, que simula la salida digital de nuestro microprocesador o dispositivo de control TTL. Y la salida es el punto donde están conectados los dos colectores de los transistores QA y QB (ver figura siguiente).

La señal de entrada SÑ1, que está representada por la fuente poder de la izquierda, tiene la característica de que va a simular los valores TTL. Que son 5 volts para un uno lógico y 0 volts para un cero lógico. Esta señal se va a conectar a un optoacoplador 4N25 y la cual hará circular una corriente a través del diodo emisor de luz que tiene integrado el optoacoplador y activará el fototransistor del mismo integrado. Hay que recalcar que lo que se está consiguiendo con este optoacoplador es aislar electricamente a estos dos circuitos. El digital que solamente activara al optoacoplador y el puente H que maneja la potencia y los ruidos generados por el motor.

Simulación de la corriente que circula en el LED del Optoacoplador 4N25 hecha en Circuit Maker 5

Para no dañar el optoacoplador 4N25, el fabricante recomienda que por el LED no se haga circular una corrient mayor a 60mA y también nos dice que el LED consume un voltaje de 1.15 Volts. Para limitar la corriente que circula sobre el LED se debe de poner una resistencia en su catodo y aterrizarla a tierra como se muestra en la figura. Si le ponemos una resistencia de 330 ohms verificamos que se cumplen las recomendaciones del fabricante:

Y si se fijan el resultado de la simulación (imagen de la izquierda) son los mismos 11.6 mA que nos dieron en el cálculo que hicimos. Ahora bien, cuando el LED es polarizado emite fotones en la base del transistor y hace que el transistor entre en saturación y que el voltaje de emisor a colector sea practicamente cero. Así como lo demuestra la simulación (ver imágen de la izquierda), en donde el transistor está consumiendo 10-9.674=0.327volts. Cuando el transistor entra en saturación permite que casi la totalidad del voltaje de la fuente de 10v sea aplicado directamente a la resistencia del emisor con lo cual podemos calcular que existe una corriente de 10/250=40mA (V/R). Muy parecido a lo que sale en la simulación (imagen de la derecha).

Ahora bien, usted se estará preguntando ¿y de donde salio esa resistencia de 250 Ohms? ¿Por que se escogió ese valor? Ah pues la respuesta es por que esa corriente de 40mA la necesitaremos para polarizar el transistor QA el cual necesitamos que pase una corriente máxima de 4 Amps. y estimamos que su beta es de 100 lo que nos da el requerimiento de tener una corriente de base de (Ic/Beta = 4/100 = 40mA). En resumen, el valor de la resistencia de emisor del optoacoplador está dado por la siguiente fórmula:

Cuando el valor de la señal de entrada (SÑ1) es cero (cero volts) el LED no se polariza y no induce una corriente en el transistor del optoacoplador. Por tanto entrará en corte, no circulará ninguna corriente a través del mismo y no se polarizará el transistor QA. Cuando el transistor QA no es polarizado entra en corte y no permite el paso de corriente y será el equivalente a un interruptor abierto.

Para que el puente H funcione correctamente hay que hacer que el transistor QC entre en saturación cuando la señal SÑ1 sea cero. Para eso hay que invertir esa señal con el transistor QI1. El transistor Q1 está en configuración emisor común y la característica especial de esa señal es que invierte la señal. La resistencia de base de ese transistor debe tener un valor mayor que la resistencia del optoacoplador para que cuando el transistor del optoacoplador entre en saturación no pase demasiada corriente por él. Solo hay que cuidar que la corriente de base del QI1 no sea tan pequeña como para que el transistor no se sature. Si ponemos una resistencia de 1K el sistema funciona muy bien.

Enseguida hay que acoplar el transistor QC a la salida del transistor QI1. Para ello hay que interconectar la base del transistor QC al colector del QI1 por medio de una resistencia. Hay que considerar que el transistor QC se polariza cuando el transistor QI1 está en corte y pasa la corriente a través de la resistencia del colector del transistor QI1 (150 ohms) y por la resistencia de base del QC (100 ohms) y son los que nos van a dar la corriente de base. Para obtener los valores de las resistencias hay que tomar en cuenta la siguiente equación y después se fijan los valores arbitrariamente. Tenga en cuenta que entre mayor sea la resistencia de colector del transistor QI1 menor será la corriente de base necesaria para saturar el transistor.

Y ahora vamos a ver el resultado en la simulación. Cuando la señal de entrada SÑ1 vale un uno (5v) en la salida tenemos aproximadamente 10v

Cuando la señal de entrada SÑ1 vale cero (0v) en la salida tenemos cero volts.

Una vez que ya tenemos la mitad del puente H funcionando. Lo único que queda hacer es la otra mitad. Exactamente igual pero en espejo. Así como se muestra a continuación:

Y después se realizó el siguiente circuito en un protoboard y funcionó a la perfección. Se controló el paro marcha y sentido de giro de varios motores de 12 volts y los transistores no presentaron calentamiento. Se forzó a los motores a operar con el rotor bloqueado, haciendo que circule una corriente mucho mayor por los transistores y tampoco hubo calentamiento excesivo. De hecho después de 10 minutos apenas se percibió un ligero calentamiento en el transistor QB.

Y todo iba de maravilla hasta que interconectamos el puente H con el microprocesador. Al hacer funcionar el motor libremente se percibia un ligero calentamiento en el transistor QB. Cuando se hizo trabajar con el rotor bloqueado, el transitor QB se calentó a tal grado que quemaba los dedos al tocarlo, y los demás transitores se calentaban excesivamente. Despúes de tres minutos el protoboard entero olia a transitores a punto de ser quemados.

Al principio no supimos bien que es lo que habia pasado. Pero después de atacar variable por variable vimos que el microprosesador estaba entregando un voltaje de 2.5v para un 1 lógico, y nosotros necesitabamos cinco. Después añadimos un buffer 75LS245 y no hubo gran diferencia. Pues en vez de dar 2.5v ahora daba entre 2.8v y 3v. Se hicieron varios ajustes: como cambiar la resistencia del diodo del optoacoplador, o cambiar la resistencia de emisor del optoacoplador, pero ningun ajuste funcionó bien. y tuvimos que agregar un transistor a la entrada del optoacoplador para que operara en corte y saturación y obtuvieramos valores cercanos a los 5v. Así como se muestra en el diagrama. Puesto que este transistor solamente iba a asegurar el tener un voltaje cercano a 5v en la entrada del optoacoplador, decidimos utilizar un transistor BC457 que es un transistor PNP de baja señal y muy barato (2 pesos a menudeo y 30 centavos a mayoreo) y entonces el circuito quedó de la siguiente manera:

Despúes de haber probado el circuito y de estar seguro que funcina correctamente hay que agregarle cuatro diodos de protección. Puesto que un motor está formado por bobinados ó inductores que cuando se les corta la corriente generan grandes picos de voltaje que pueden destruir los transistores del circuito. Los diodos deben de quedar de la siguiente manera. Tenga mucho cuidado de ponerlos tal y como se indica en la siguiente figura y si los ponen al revés harán un gran corto circuito.

Ahora que ya saben como funciona un puente H pueden hacer el suyo o bien comprar uno ya hecho en forma de circuito integrado. SGS-Thompson Microelectrónics farbrica integrados con puente H integrados como el L293 y el L292. Que en verdad son muy buenos, aunque hay que tener cuidado por que su parte de potencia no están aisalada electricamente como el nuestro y cuando se maneja PWM y se hacen pasar corrientes cercanas a la máxima puede dejar pasar el alto voltaje al microcontrolador y quemarlo. Esto lo digo por experiencia, puesto que ya se me quemó uno de esa manera. También hay que cuidar la frecuencia máxima de PWM.

A continuación se muestra el Puente H contruido en acción. Está polarizando el rotor de un motor lineal a pasos:

DISEÑO Y ANÁLISIS DE UN PUENTE H

Página hecha el Lúnes 6 de Junio del 2005