Hispanopedia WikiUn puente H es un circuito electrónico que invierte la polaridad de un voltaje aplicado a una carga. Estos circuitos se utilizan frecuentemente en robótica y otras aplicaciones para permitir que los motores de CC giren hacia adelante o hacia atrás. [ 1 ] Su nombre deriva de su representación esquemática común, donde cuatro elementos de conmutación forman las ramas de una letra "H" y la carga se conecta como la barra transversal.
La mayoría de los convertidores CC-CA ( inversores de potencia ), la mayoría de los convertidores CA/CA , el convertidor CC-CC push-pull, el convertidor CC-CC aislado [ 2 ] , la mayoría de los controladores de motor y muchos otros tipos de electrónica de potencia utilizan puentes H. En particular, un motor paso a paso bipolar casi siempre es accionado por un controlador de motor que contiene dos puentes H.
General
Los puentes H están disponibles como circuitos integrados o pueden construirse a partir de componentes discretos . [ 1 ]
El término puente H deriva de la representación gráfica típica de este tipo de circuito. Un puente H se construye con cuatro interruptores (de estado sólido o mecánicos). Cuando los interruptores S1 y S4 (según la primera figura) están cerrados (y S2 y S3 están abiertos), se aplica una tensión positiva al motor. Al abrir los interruptores S1 y S4 y cerrar los interruptores S2 y S3, esta tensión se invierte, permitiendo el giro inverso del motor.
Según la nomenclatura anterior, los interruptores S1 y S2 nunca deben cerrarse simultáneamente, ya que esto provocaría un cortocircuito en la fuente de tensión de entrada. Lo mismo se aplica a los interruptores S3 y S4. Esta situación se conoce como cortocircuito entre circuitos.
Uso común
Un puente H se utiliza para alimentar un dispositivo de dos terminales. Mediante la disposición adecuada de los interruptores, se puede cambiar la polaridad de la alimentación. A continuación se describen dos ejemplos: un controlador de motor de CC y un transformador para un regulador conmutado. Cabe destacar que no todas las configuraciones de conmutación son seguras; los cortocircuitos (véase la sección "Controlador de motor de CC") son peligrosos tanto para la fuente de alimentación como para los interruptores.
controlador de motor de CC
Cambiar la polaridad de la fuente de alimentación del motor de CC se utiliza para cambiar el sentido de giro. Además de cambiar el sentido de giro, el puente H puede proporcionar modos de funcionamiento adicionales: "freno" y "rueda libre hasta la parada por fricción". La configuración del puente H se utiliza generalmente para invertir la polaridad/dirección del motor, pero también puede utilizarse para "frenarlo", deteniéndolo bruscamente al conectar sus terminales. Al conectar sus terminales, la energía cinética del motor se consume rápidamente en forma de corriente eléctrica, lo que provoca que el motor disminuya su velocidad. Otro caso permite que el motor se detenga por inercia, ya que queda efectivamente desconectado del circuito. La siguiente tabla resume el funcionamiento, donde S1-S4 corresponden al diagrama anterior. En la tabla, "1" representa el estado "encendido" del interruptor y "0" el estado "apagado".
Controlador de bobina primaria del convertidor de potencia conmutado
Un controlador típico para la bobina primaria consiste simplemente en reemplazar los dos terminales del motor de CC por los dos terminales de la bobina primaria. La corriente de conmutación en la bobina primaria transforma la energía eléctrica en energía magnética y la transfiere de nuevo a energía eléctrica de CA en la bobina secundaria.
Construcción
Relevos
Una forma de construir un puente H es usar una matriz de relés de una placa de relés. [ 3 ]
Un relé de doble polo y doble tiro (DPDT) generalmente ofrece la misma funcionalidad eléctrica que un puente H (considerando la función habitual del dispositivo). Sin embargo, un puente H basado en semiconductores sería preferible al relé cuando se requiere un tamaño físico menor, conmutación de alta velocidad o bajo voltaje (o baja potencia) de accionamiento, o cuando el desgaste de las piezas mecánicas es indeseable.
Otra configuración consiste en utilizar un relé DPDT para controlar la dirección de la corriente y un transistor para habilitarla. Esto puede prolongar la vida útil del relé, ya que este se activará mientras el transistor esté desactivado, impidiendo así el paso de corriente. Además, permite el uso de modulación por ancho de pulso (PWM) para controlar el nivel de corriente.
semiconductores de canal N y P
Un puente H de estado sólido se construye típicamente utilizando dispositivos de polaridad opuesta, como transistores de unión bipolar PNP (BJT) o MOSFET de canal P conectados al bus de alto voltaje y transistores BJT NPN o MOSFET de canal N conectados al bus de bajo voltaje.
semiconductores de canal N únicamente
Los diseños de MOSFET más eficientes utilizan MOSFET de canal N tanto en el lado de alta como en el de baja tensión, ya que suelen tener una resistencia de encendido un tercio menor que la de los MOSFET de canal P. Esto requiere un diseño más complejo, puesto que las compuertas de los MOSFET del lado de alta tensión deben controlarse positivamente con respecto a la tensión de alimentación de CC. Muchos controladores de compuerta de MOSFET de circuitos integrados incluyen una bomba de carga dentro del dispositivo para lograr esto.
Como alternativa, se puede utilizar un convertidor CC-CC conmutado para proporcionar alimentación aislada (flotante) al circuito de control de la puerta. Un convertidor flyback de múltiples salidas resulta idóneo para esta aplicación.
Otro método para controlar puentes MOSFET es el uso de un transformador especializado conocido como GDT (transformador de control de puerta), que proporciona salidas aisladas para controlar las puertas de los FET superiores. El núcleo del transformador suele ser un toroide de ferrita, con una relación de bobinado de 1:1 o 4:9. Sin embargo, este método solo puede utilizarse con señales de alta frecuencia. El diseño del transformador es crucial, ya que la inductancia de fuga debe minimizarse para evitar la conducción cruzada. Las salidas del transformador suelen estar protegidas por diodos Zener , dado que los picos de alta tensión podrían dañar las puertas de los MOSFET.
Variantes
Una variante común de este circuito utiliza solo los dos transistores en un lado de la carga, similar a un amplificador de clase AB . Esta configuración se denomina "medio puente". [ 4 ] Funciona como un interruptor electrónico, pero el medio puente no puede cambiar la polaridad de la tensión aplicada a la carga. El medio puente se utiliza en algunas fuentes de alimentación conmutadas que emplean rectificadores síncronos y en amplificadores de conmutación . El tipo de medio puente H se abrevia comúnmente como "medio H" para distinguirlo de los puentes H completos ("H completos"). Otra variante común, que consiste en añadir una tercera rama al puente, crea un inversor trifásico . El inversor trifásico es el núcleo de cualquier accionamiento de motor de CA.
Otra variante es el puente semicontrolado, donde el interruptor de baja tensión en un lado del puente y el interruptor de alta tensión en el lado opuesto se reemplazan por diodos. Esto elimina el modo de fallo por cortocircuito y se utiliza comúnmente para accionar máquinas y actuadores de reluctancia variable o conmutada donde no se requiere un flujo de corriente bidireccional .
Disponibilidad comercial
Existen numerosos encapsulados de puente H simples y dobles económicos disponibles comercialmente. La serie L293x, técnicamente obsoleta desde finales de la década de 1970 debido a la disminución de las pérdidas de conmutación y las mayores velocidades de los semiconductores más modernos, aún se encuentra en muchos circuitos de aficionados. Algunos encapsulados, como el L9110, [ 5 ] incorporan diodos de protección contra sobretensiones transitorias.
Funcionamiento como inversor
Un uso común del puente H es como inversor . Esta configuración se conoce a veces como inversor de puente monofásico.
El puente H con alimentación de CC generará una onda cuadrada en la carga. Para una carga puramente inductiva, la corriente será triangular, con un pico que dependerá de la inductancia, la frecuencia de conmutación y la tensión de entrada.
Véase también
Referencias
- 1 2 Al Williams (2002). Proyectos con microcontroladores usando el Basic Stamp (2.ª ed.). Focal Press. pág. 344. ISBN 978-1-57820-101-3.
- ↑ Unruh, Roland; Schafmeister, Frank; Bocker, Joachim (noviembre de 2020). "Diseño de convertidor LLC de 11 kW y 70 kHz con voltaje de entrada adaptativo para una eficiencia del 98 % en un MMC". 2020 IEEE 21st Workshop on Control and Modeling for Power Electronics (COMPEL) . págs. 1–8 . doi : 10.1109/COMPEL49091.2020.9265771 . ISBN 978-1-7281-7160-9. S2CID 227278364 .
- ↑ "Puente H de relés (controlador de motor de relés)" . 11 de diciembre de 2012.
- ↑ ""Puentes en H"" .
- ↑ "wordpress.com" (PDF) .
Enlaces externos
- Teoría y práctica del puente H
- Breve teoría de funcionamiento del puente H
- Tutorial sobre puentes H que analiza varios modos de conducción y el uso de la fuerza contraelectromotriz.
- Controlador de motor de CC PWM que utiliza MOSFETs y controlador de puente H IR2110
- Puentes H en la wiki de BEAM Robotics
- Derivación de fórmulas para estimar la corriente del controlador de puente H (Vex, JAGUAR, Victor). Se analiza por qué algunos puentes H utilizados en robótica presentan respuestas no lineales de corriente y velocidad.
Proyectos
- Construcción de un motor controlado por puente H con fotocélulas para el seguimiento de la luz.
- Control de motor con puente H mediante el 4017 (en turco)
- Uso del HIP4081A para el control de puentes H. Archivado el 27 de febrero de 2012 en Wayback Machine.
- Uso del puente H L293D para el control de motores de CC
- Un circuito sencillo diseñado en torno al circuito integrado controlador de motor L293D.
- Circuitos puente
