Puente H para motor de carrito a control remoto Christian Alfredo Acevedo Herrera Abstract — Este documento muestra cómo se generó un protitpo de un puente H de estado sólido con MOSFET canales N y P, para controlar un motor DC de unos 20 V, aproximadamente. Index Terms —Puente H, MOSFET, Motor, Ruido.
U
I. I NTRODUCCIÓN
n puente H, no es sino un conjunto de interruptores colocados entre la fuente y el elemento a controlar (la mayoría de las veces, un motor) con el fin de controlar el flujo de corriente a través del elemento controlado, con el fin de controlar el funcionamiento funcionamiento del elemento a controlar. [1] En primer lugar, la forma más básica de un puente H puede mostrarse a continuación:
Figura 1: Puente H básico
En la Fig. 1 puede apreciarse lo básico de un puente H. Cerrando los interruptores HSL y LSR, y dejando los otros dos abiert abiertos, os, se obt obtien ienee el giro giro del motor en una direcci dirección; ón; haciendo lo contrario, se obtiene el giro en dirección opuesta. Dejando todos los interruptores abiertos se detiene el motor, y cerrar todos suele considerarse un “estado prohibido”. Hay varias varias maner maneras as de gener generar ar puent puentes es H, con disti distinto ntoss dispositivos. En el caso de este proyecto en particular, se optó por un puente H de estado sólido, utilizando MOSFET para simular los interruptores de la Fig. 1.
Figura 3: diseño implementado en el prototipo
Donde, en este caso, los cuatro MOSFET del sistema hacen el lugar de los interruptores del circuito de la Fig 1. Los dos de la parte superior son MOSFET canal P, y los de la parte inferior son canal N. Recordando conceptos, para un canal N es necesario un voltaje entre compuerta y fuente, V GS, mayor que cero, para poder generar la conmutación entre corte y conducción (sea en modo de tríodo o de saturación). En cambio, un canal P necesita un voltaje negativo VGS para lograr el mismo efecto. La razón de utilizar dos canales P en la parte superior, en vez de utilizar canal N, es que para poder conmutar un canal N en la parte superior sería necesario un voltaje mayor al de la alime alimenta ntació ciónn del circui circuito to en la compue compuerta rta para para log lograr rar la conmutación. Con utiliza utilizarr dos MOSF MOSFET ET canal canal P en la parte parte super superior ior,, permite poder conmutar el circuito sin necesidad de un voltaje mayor a la alimentación, lo cuál resulta en menos espacio físico. La desventaja es que, en algunas ocasiones, es difícil conseguir MOSFET canal P [1]. Volviendo al circuito, se describirá en pocas palabras cómo funciona.
II.SIMULACIÓN, PROTOTIPO Y DESCRIPCIÓN FÍSICA Se utilizó el diseño de un puente H de estado sólido como el mostrado en la Fig. 2
Figura 4: ampliación de circuito base para mostrar funcionoamiento
Figura 2: modelo utilizado para armar el circuito
De este modelo, utilizando casi los mismo valores, se llegó al siguiente diseño:
Dependiendo de la señal enviada desde el microcontrolador en cuestión, se cambian los estados de los transistores transistores A y B de la Fig. 4. Estos, a su vez, modifican el estado de los MOSFET canal P 1 y 2, y estos modifican el estado de los 3 y 4 requeridos en su funcionamiento. A continuación se muestra cómo actúan las conmutaciones:
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Cuando el transistor A conduce, y el B está en corte, se modifica el estado del MOSFET 1, haciendo que este conduzca. Al conducir, esto deja en corte el MOSFET 4 y permite la conducción del MOSFET 3. Esto permite el giro del motor en un sentido. Cuando el transistor B conduce, y el A está en corte, se modifica el estado del MOSFET 2, haciendo que este conduzca. Al conducir, esto deja en corte el MOSFET 3 y permite la conducción del MOSFET 4. Esto permito el giro del motor en otro sentido. Si ambos, A y B, están en corte, el motor se detiene. Si ambos, A y B, están conduciendo, tanto el MOSFET 1 como el 2 conducen. Esto colocan a 3 y a 4 también en conducción. Las corriente generadas al estar en este estado pueden quemar todos los dispositivos semiconductores, destruyéndolos al instante. En caso de no ocurrir esto, simplemente el
motor no encendería.
aún con la exigencia de corriente que pueda realizar cualquiera de los componente del circuito. Finalmente, las resistencias tienen como propósito, sea un pullup o un pulldown (es decir, generar una diferencia de potencial entre dos puntos, que cambie al paso de corriente) o polarización de los semi-conductores. Los valores de estos últimos componente fueron obtenidos directamente del diseño mostrado en la Fig. 2, excepto las resistencias de 1MΩ, que tienen como propósito ser un pulldown; Las demás no se calcularon ni se saben qué efectos sobre el sistema puedan tener el cambio de estos parámetros. III. PROTOTIPO Se construyó un prototipo con una placa perforada, que consiste en los siguientes elementos: •
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Figura 5: descripción gráfica de funcionamiento del puente
En pocas palabras, puede ponerse lo anterior en una tabla. Suponiendo arbitrariamente que el motor “Avanza” cuando A conduce y B está en corte; y que el motor “Retrocede” cuando el B conduce y A está en corte, puede resumirse el comportamiento del puente H en la siguiente tabla. A
B Estado del motor
1
1
Estado no permitido
1
0
Avance
0
1
Retroceso
0
0
Alto
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2 MOSFET IRF9530 (canal P) 2 MOSFET IRF510 (canal N) 4 Diodos FR307 1 Capacitor de 470 μF, 25 V, polarizado 1 Capacitor de 1 μF, 50 V 1 Zener de 20 V 1 MOSFET 2N7000 1 BJT 2N3904 4 Resistencias de 10 KΩ 1 Potenciómetro de 10 KΩ 2 Resistencias de 1KΩ 2 Resistencias de 1MΩ 1 Fuente de 19 V
El costo promedio del prototipo fue de unos B/ 15.00. El prototipo se hizo sobre una placa preperforada, y cables para hacer los puentes necesarios. Posteriormente se pretende realizar este circuito en un PCB para implementar sobre el motor real. Lo primero, como se ve en la Fig. 6, fue montar los componentes sobre la placa.
Tabla 1: Resumen de funcionamiento
Los diodos del diseño son para redirigir la corriente que lanzaría el motor, producto de la abrupta interrupción de la corriente en el mismo, por caminos de baja impedancia distintos a los transistores, ya que esta corriente puede dañar a los dispositivos semiconductores. Todos los capacitores colocados en el circuito tienen como propósito absorber cualquier ruidos proveniente de cualquier componente del mismo. Los zener se supone que deben permitir que el voltaje de alimentación permanezca constante, Figura 6: posición de componentes en la placa preperforada.
Los círculos verde oscuro corresponden a los diodos. Los recuadros verde claro corresponden, o a los MOSFET canal P, o a los canal N. Los círculos rojos corresponden ya sea al MOSFET 2N7000 o al BJT 2N2222. Las resistencias se ven colocadas en alguna parte, igual que los capacitores y muy poco se puede ver el diodo Zener de 20V. Las entradas hembra son para la alimentación del circuito, la alimentación del motor, el alimentador del microcontrolador y la señal proveniente del microcontrolador. Seguido, se procedió a colocar los puentes y las últimas resistencias necesarias. Se muestra el circuito terminado en la Fig. 7.
cambiar este detalle. Seguido, las resistencias que van desde las compuertas de los MOSFET canal P no se aterrizaron, lo cual generaba una conmutación incorrecta en los mismos, y el motor no andaba. Finalmente, por motivos desconocidos, se dañó un 2N3904, y se reemplazó por un 2N7000, el cual figura en la lista de materiales. El motivo de utilizar dos transistores diferentes, fue justamente que durante las pruebas uno de los 2N3904 que se compraron con el propósito de las pruebas, se dañó, y se reemplazó por un 2N7000 que se tenía en inventario. Sin embargo, en la placa final deberían usarse dos 2N7000 o dos 2N3904. Aunque no se observaron dificultades en utilizar dos transistores diferentes para el control del puente, la simetría siempre debe intentar conseguirse en estas pruebas. Además, se probó durante 1 minuto cada uno de los dos estados permitidos de movimiento del puente H. No hubo algún calentamiento excesivo de ninguna pieza, ni humo, ni hubo necesidad de mover ninguna de las partes del circuito para forzar el funcionamiento.
Figura 7: circuito terminado, con puentes y c onexión de motor y alimentación
El círculo rojo corresponde a la alimentación del circuito, y el círculo amarillo a la alimentación del motor. El círculo azul muestra el único potenciómetro de la lista de materiales. El propósito de este es regular el voltaje necesario para alimentar al microcontrolador, pues al momento se desconoce qué voltaje exacto requiere. Una vez determinado, en su lugar debe ir un diodo Zener, que impida la caída del potencial del alimentador, aún con la corriente que exija el microcontrolador. Luego de esto, se colocó el motor y se realizaron las respectivas pruebas. El mismo, se corroboró, requiere entre 0.5 mA y 0.8 mA. Los dispositivos semiconductores utilizados, acorde con las hojas de datos, soportan hasta unos 4 A, y disipaciones de potencia de hasta unos 75 W. IV. PRUEBAS En primer lugar, como es de esperar, el circuito no resultó a la primera. Lo primero que ocurrió fue que los diodos, que supuestamente están colocados para proteger los integrados, se instalaron al revés de como debían. Esto no se notó sino hasta la primera prueba, lo cuál generaba voltajes satisfactorios a la salida del motor, pero un calentamiento muy alto en los dispositivos semiconductores, en especial en los canales P. Se procedió a
Figura 8: acomple excitoso entre el motor y el circuito del puente H
Además, cabe mencionar que anterior al uso del puente H de estado sólido, se decidió utilizar un puente H con relevadores. El problema que surgió fue que, como se usaba la misma alimentación tanto para el motor, como para el circuito de control, la corriente era demasiado baja para mover el motor. Además, la inductancia del motor generaba corrientes que afectaban la inductancia del relevador, generando saltos en los mismos que afectaban el funcionamiento del motor. Estos problemas, junto con algunas referencias que instaban a no utilizar relevadores para control de motores, hizo desistir del uso de estos, y pasar a un puente H de estado sólido. V. OPCIONES DE MEJORAS A FUTURO Primero que todo, el uso de un puente H de estado sólido tiene la ventaja sobre uno de relevadores, en que puede controlarse la velocidad y el torque de cualquier motor, utilizando modulación por ancho de pulsos (o PWM , por sus siglas en
inglés), que es lo que pretende hacerse en un futuro con los diseños terminados. Además de esta versatilidad, se eliminan los problemas de conmutación mecánica de utilizar relevadores, los cuáles deben estar “sincronizados” entre sí, de modo que el motor no genere problemas de ruido sobre las inductancias de los relevadores. Finalmente, sería interesante hacer un análisis profundo matemático, con modelos, sobre los componentes de este puente H, de modo de poder optimizar el diseño del mismo para otras aplicaciones. R EFERENCIAS [1] [2]
Mario Sacco, “Puente H con MOSFET para motores CC” ; disponible en URL Abel Sedra, Kenneth Smith, “Circuitos Microelectrónicos” ; 5ta edición, McGraw Hill.
