Puente H con MOSFET para motores CCHacer girar los motores impulsores de mecanismos como robots, mquinas herramientas (CNC) o cualquier otro sistema electromecnico que requiera de movimiento de piezas puede pensarse como una de las fases sencillas del desarrollo. El conocido y famoso puente H o H bridge siempre es la solucin en sistemas donde el sentido de giro es una necesidad de operacin. Sin embargo, el mundo real y fsico nos presenta incontables dificultades a la hora de operar el puente H. Comenzando por la inercia del sistema mecnico, pasando por la velocidad de respuesta y terminando en el proceso de frenado y detencin apropiados, encontramos la mayora de los inconvenientes que han hecho abandonar a muchos entusiastas que se inician en el mundo de la robtica y la mecatrnica. Veamos juntos un poco de teora y prctica de este dispositivo que mover los motores en nuestros futuros montajes.Tambin conocido como puente completo, adopta la letra H para su nombre debido a la forma que presenta dentro de un circuito esquemtico simplificado, como el que vemos debajo. 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, brindarn al sistema los movimientos necesarios para que el motor utilizado pueda girar en un sentido u otro. Por supuesto que una letra H del alfabeto no se escribe con las partes superior e inferior unidas, pero en lneas generales, la adopcin de esta letra para invocar a este tipo de montaje y conexin es la ms apropiada.

En los circuitos que vemos de manera habitual en la Web, encontramos que los elementos que se utilizan para conmutar la alimentacin (y, de este modo, elegir el sentido de giro) poseen un nombre muy especfico, a pesar de que cada desarrollador puede adoptar el que ms prctico le resulte. Por ejemplo, lado superior izquierdo y lado superior derecho para las conexiones que nos unen al positivo de la alimentacin, siendo por el otro conjunto, lado inferior izquierdo y lado inferior derecho. Algunos se acostumbran mejor a los nombres en ingls y sus siglas, por ejemplo, High Side Left (HSL) y High Side Right (HSR), por mencionar como ejemplos las ramas altas de la H. De todos modos, ms all de cmo se denominen, lo importante es que existen cuatro interruptores que se deben manejar en forma apropiada para lograr los objetivos que el proyecto exige.

Para conectar el motor y hacerlo girar debemos activar las llaves de conmutacin por pares opuestos en lo que respecta a lados y a posicin (superior o inferior). Un error en la activacin que permita la conexin de elementos superiores e inferiores de un mismo lado provocar una descarga muy rpida y abrupta de la batera que se est utilizando o, en el peor de los escenarios, destruir los elementos que forman las llaves conmutadoras. Como vemos en la imagen superior, para un giro seguro en uno de los dos sentidos, debemos cerrar SW1 y SW4, observando que SW2 y SW3 permanezcan abiertas (lneas rojas). En el caso inverso sera SW2 y SW3 cerradas, mientras que SW1 y SW4 debern permanecer abiertas (lneas azules).

Reemplazando las llaves por transistores MOSFETEn la actualidad, para operar motores de CC permitiendo un funcionamiento de giro en ambos sentidos se utilizan, en la mayora de los casos, circuitos con transistores MOSFET en lugar de las llaves genricas SW1 a SW4 mencionadas con anterioridad. Algunos diseadores prefieren utilizar transistores de canal P para los lados superiores y de canal N para los inferiores. La ventaja de este concepto de diseo es que las tensiones necesarias para activar los Gates de los transistores de canal P se podrn sacar directamente de la alimentacin utilizada para el motor. Si por el contrario utilizamos transistores de Canal N en el lado superior de la H, la tensin necesaria para activar los Gates deber provenir de un elevador de tensin que funcione por encima del valor nominal de alimentacin del motor. Observemos la siguiente imagen para comprender este concepto:

Para obtener un sentido de giro determinado (cualquiera), tal como habamos analizado en los ejemplos iniciales, los transistores MOSFET IRFZ44N mostrados en imagen debern comportarse como verdaderas llaves conmutadoras. Tal como se desprende de la hoja de datos del transistor empleado, para que este tipo de transistor MOSFET de canal N conduzca a pleno, ofreciendo la menor resistencia entre Drain y Source, la tensin de Gate respecto a Source deber ser ms positiva y el orden de los 2 a 4 Volts. Si asumimos que el transistor Q1 (en un sentido de giro) y Q3 (en el otro sentido de giro) ofrecen la mnima resistencia, el potencial de 12 Volts que alimenta los Drains respectivos pasar (segn el giro seleccionado) hacia el motor, tal como muestra la figura superior.

Pero volviendo sobre la teora, para que en el Source existan los 12Volts, en el Gate debemos aplicar una tensin entre los 14 y los 16 Volts, es decir, 2 a 4 Volts por sobre el Source. De lo contrario, la tensin necesaria para activar el transistor a la mxima conduccin se descontar de la tensin de alimentacin y al motor le llegarn 10 Volts o menos. De este modo, tendremos una mxima circulacin de corriente a travs de Drain Source para hacer girar el motor al mximo, con una diferencia de potencial de 2 Volts o ms entre estos dos terminales del transistor. Esto equivale, segn la frmula de potencia, que 2 Volts multiplicados por la mxima corriente del motor ser una potencia que disipar en forma de calor en el transistor. Cuanto mayor sea la corriente para hacer funcionar el motor, mayor ser el calor generado por los transistores, ergo, mayor ser el tamao de los disipadores. Esto, por supuesto, hablar muy mal del diseador del circuito quien nunca comprender por qu calientan tanto los transistores de las ramas superiores.

Como dijimos al principio, muchos diseadores prefieren evitar estos inconvenientes utilizando transistores de canal P en las ramas superiores del puente H, pero ocurre que estos dispositivos son ms caros y difciles de conseguir que los de canal N. En estos casos, se recurre a trabajar la seccin excitadora de los transistores de las ramas superiores con tensiones mayores a la tensin de alimentacin del motor. Cmo logramos esto? Mxime an si slo disponemos de una batera de 12 Volts que se encargar de brindar la energa para nuestro robot! Muy sencillo, el MC34063A viene a nuestro rescate una vez ms, entregando una tensin de 14 a 16 Volts (a partir de 12 Volts de entrada) mediante una configuracin Step-Up. Con una muy sencilla y pequea placa, obtendremos la tensin necesaria para activar de manera correcta los Gates de los MOSFET asegurando un funcionamiento pleno de los transistores con mxima potencia entregada al motor y menor disipacin de calor en los encapsulados de los transistores.Ciclos de funcionamiento y ciclos de frenadoEn el siguiente grfico vemos de manera muy clara cul es el circuito que seguir la corriente para los casos (seleccionados al azar) de giro en avance forward (arriba a la izquierda) y de retroceso backward (abajo a la izquierda). Podemos apreciar con claridad cmo el motor asume una polaridad en un sentido de funcionamiento y cmo cambia el sentido de giro al invertir la conexin de positivo y negativo segn la manera en que se activen los transistores indicados en color azul para cada caso correspondiente. Los potenciales de operacin se indican con la sigla Vo y adquieren una determinada polaridad de acuerdo a, como mencionamos antes, la activacin oportuna de los transistores indicados en color azul.En los motores de CC de imn permanente, como los que empleamos en este artculo, al interrumpir el suministro de energa, continan girando de acuerdo a la inercia de los mecanismos que puedan tener acoplados a su eje. Es decir, si un motor posee un gran volante en su terminacin mecnica, puede resultar que, al interrumpir la tensin de funcionamiento, la inercia del volante procure hacer girar el eje del motor muchas vueltas ms y esto ocasione un movimiento indeseado de un determinado mecanismo. Por ejemplo, cuando se traslada una gra puente a lo largo de una nave (galpn) y de repente se le interrumpe el suministro elctrico o si se le corta la alimentacin a los motores, la enorme inercia de tan extraordinaria estructura provocar que siga corriendo hasta el final del trayecto golpeando contra los parachoques de los extremos del recorrido. Quizs en su libre derrotero logre aminorar un poco la marcha gracias al rozamiento, pero sin un freno, aplicado de manera apropiada y a tiempo, el golpe puede ser muy duro al final del recorrido. En esta aplicacin en particular (una gra industrial) se utilizan motores AC, pero la comparacin vale el ejemplo para demostrar la necesidad de un freno operativo en cualquier sistema mecnico lanzado en velocidad

La forma de frenar un motor elctrico lanzado en velocidad es provocando un cortocircuito o un puente elctrico entre sus extremos de conexin. Al girar el eje mecnico de un motor de imn permanente se induce en sus bornes de conexin una fuerza electromotriz que depende de los parmetros constructivos del motor y de la velocidad que alcance el giro propuesto exteriormente. Es decir, el motor pasa a funcionar como generador elctrico. Esta Vfem (tal como se indica en el diagrama anterior) puede ser anulada y/o bloqueada en forma controlada por los transistores de la ramas inferiores del puente H. Es decir, el frenado puede ser dominado a voluntad si se aplica una seal PWM variable a los transistores encargados de controlar el frenado. Por el contrario, si la activacin de los transistores es fija y directa, el frenado ser aplicado en toda su capacidad. En estas circunstancias, los transistores realizan el trabajo duro de absorber la potencia que generan los motores durante el proceso de frenado y deben ser capaces de asimilarlo y disipar sin problemas el calor generado por esta energa.

Frenado regenerativoUna forma til e inteligente de aplicar un freno dentro de un puente H es lo que se conoce como frenado regenerativo. En lugar de provocar un puente elctrico entre los bornes del motor, utilizando los transistores de las ramas inferiores del puente H, se aplica una tcnica que permite utilizar la energa generada (Vfem) por el motor, en el momento en que ya no se desea seguir impulsando el sistema y se busca detener la marcha. Entonces, la energa que de otro modo se disipara en los transistores en forma de calor puede utilizarse para recargar la batera durante el proceso de frenado. Cuando la tensin generada por el motor supera al voltaje de la batera en ms de 1,4 Volts, se producir una circulacin de corriente que servir para cargar la batera durante la operacin del sistema.

La tensin de 1,4 Volts est justificada en que debe vencer la tensin de juntura de cada uno de los diodos que intervienen en el circuito. Por supuesto que este fenmeno dura un breve lapso de tiempo debido a que la propia circulacin de corriente provoca un frenado inicial al motor, perdiendo velocidad y en consecuencia capacidad de generar energa. Luego, cuando ya no entregue una Vfem suficiente como para cargar la batera, se procede a efectuar un frenado tradicional, como vimos en el prrafo anterior, es decir, activando los transistores de las ramas inferiores del puente H. De este modo, podemos deducir que el frenado regenerativo no es tan eficaz desde el punto de vista mecnico, pero s tiene una gran importancia desde el punto de vista elctrico y funcional del sistema.La tensin de 1,4 Volts est justificada en que debe vencer la tensin de juntura de cada uno de los diodos que intervienen en el circuito. Por supuesto que este fenmeno dura un breve lapso de tiempo debido a que la propia circulacin de corriente provoca un frenado inicial al motor, perdiendo velocidad y en consecuencia capacidad de generar energa. Luego, cuando ya no entregue una Vfem suficiente como para cargar la batera, se procede a efectuar un frenado tradicional, como vimos en el prrafo anterior, es decir, activando los transistores de las ramas inferiores del puente H. De este modo, podemos deducir que el frenado regenerativo no es tan eficaz desde el punto de vista mecnico, pero s tiene una gran importancia desde el punto de vista elctrico y funcional del sistema.

Una recuperacin de tan slo el 1% de la energa de un sistema de bateras correspondientes a un coche elctrico puede significar un incremento importante en la autonoma final del vehculo. Mucho ms relevante se vuelve an un sistema de frenado regenerativo cuando se trabaja con vehculos impulsados por bateras que son cargadas con paneles de energa solar. Para completar un diseo de alta performance, se podran colocar optoacopladores en paralelo a los diodos encargados de hacer circular la energa de regeneracin y detectar los momentos exactos en que dejan de conducir para dar paso al frenado convencional de manera inmediata. Los diodos de los optoacopladores dejaran de conducir al mismo instante y de este modo le indicaran al sistema de control que ya no hay recarga de batera por frenado que proceda a completar el frenado por activacin de transistores.

El frenado regenerativo es una de las claves para extender la autonoma en los coches electricosEn la prxima entrega, veremos toda esta teora transformada en realidad, controlando con un microcontrolador un puente H compuesto por cuatro transistores IRFZ44N que movilizarn un motor CC en ambos sentidos. Tambin experimentaremos las tcnicas de frenado que hemos visto en este artculo. Por supuesto que intentaremos ver los modos de controlar la velocidad de trabajo y el frenado del sistema mediante el uso del PWM. No te pierdas la mejor parte!