Puente H

Para controlar la direccion en la que gira un motor de corriente continua, se necesita invertir la conexion electrica del motor en cuestion, de alguna manera hay que intercambiar los cables que alimentan el dispositivo.

Si pensamos en una conexion normal como la de la siguiente imagen, vemos como cada terminal del motor recibe un polo distinto. Con la conexion anterior conseguimos que el motor gire en un sentido cualquiera, si necesitamos que gire en el sentido contrario, basta con intercambiar las conexiones, pero esto solo es util si no necesitamos conmutar rapidamente entre una direccion u otra.

Si volvemos a pensar en el circuito, ahora considerando interruptores que controlen las conexiones, podriamos encontranos con la siguiente configuracion, donde un boton interrumpe el paso desde la alimentacion a uno de los terminales del motor y otro boton, bloquea la conexion a tierra, si presionamos los dos botones al mismo tiempo el motor girara en un sentido.

Aprovechando este tipo de conexiones podriamos armar dos circuitos separados que compartan el mismo motor, asi, si activamos un par de botones podemos hacer que gire en un sentido, y activando el otro par de botones, el motor gira en el sentido contrario.

De acuerdo a la figura, si presionamos los botones 1 y 4 completamos un circuito para el motor, de la misma manera que con los botones 2 y 3. Ahora, si tenemos que tener en cuenta que los botones 1 y 2, o 3 y 4 al mismo tiempo, cerraran el circuito directamente desde la fuente a la tierra y el motor no recibira energia. Por ultimo, al accionar los 4 botones al mismo tiempo, causaremos dos veces el cortocircuito anteriormente descrito junto con frenar el motor si es que este se encuentra girando. En esta solucion solo vamos a considerar el cambio de direccion de giro del motor, el frenado del puente h implica un poco mas de ciencia que causar un cortocircuito general de los componentes.

A partir de este simple concepto, podemos implementar algun sistema de control remoto que nos permita accionar un motor junto con controlar su direccion de giro, solo debemos mejorar el circuito para lograr por un lado, reunir el actuar de los pares de interruptores (1-4 y 2-3) a un control mas simple y al mismo tiempo aislar el circuito del motor, del circuito de control, de esta manera podriamos manejar motores de un voltaje X, con un circuito que utiliza un voltaje Y.

Puente H con Reles

El uso de reles para reemplazar los botones del circuito base, podria ser una muy buena solucion para aislar el circuito del motor del circuito de control, los reles funcionan como botones mecanicos accionados electricamente, es decir, alimentamos electricamente un sistema electrico que a su vez acciona otro sistema electrico, aislado. Pareciera no tener sentido pero este mecanismo nos permite controlar voltajes altos, a partir de voltajes mucho menores. En la figura vemos como hay dos circuitos, por un lado el circuito base que activa el motor, se ve interrumpido por el rele. Por otro lado, esta el circuito que controla el rele, este tambien esta interrumpido, en este caso por un pulsador normalmente abeirto.

Al pulsar el interruptor, se cierra el circuito del rele y este se energiza, a su vez, el rele en funcionamiento, acciona el interruptor que controla el motor, cerrando este circuito, accionando el motor.

El anterior ejercicio podria parecer un gasto inecesario de componentes, pero en el caso de implementar un puente h, podemos sacarle buen provecho como en la figura anexa.

Aqui, los cuatro botones han sido reemplazados por reles y la alimentacion electrica de los reles esta controlada por solo dos pulsadores, estos permiten accionar los reles por parejas, el pulsador 1 alimenta los reles RL1 y RL4 y el pulsador 2, RL2 y RL3, ademas podemos ver que el circuito que controla los reles puede ser completamente distinto (y aislado) del que alimenta el motor, incluso los circuitos que alimentan el motor para que gire en un sentido, puede ser distinto que que alimenta el motor cuando gira en direccion contraria.

Puente H con transistores

Utilizando un transistor como interruptor, podemos replicar los esquemas anteriores, debemos recordar eso si que los transistores son componentes electronicos, no mecanicos como los reles vistos anteriormente, aqui el circuito es un poco mas complejo, no solo por el subcircuito que hace funcionar el transistor, hay algunas consideraciones sobre los voltajes que manejemos.

En este esquema, vemos como el transistor se comporta como interruptor, hay un circuito que alimenta el motor y se ve interrumpido por la conexion al colector y emisor del transistor, por otro lado desde la fuente se alimenta la base del transistor, el voltaje que limenta la base se ve afectado por una resistencia y un pulsador interrumpe ademas el circuito a la base del transistor.

El transistor actua como una puerta desde un lado a otro, en este caso desde el colector al emisor, la base se comporta como el portero, si no recibe electricidad la puerta permanece cerrada, si recibe voltaje, se abre, pero con una consideracion, ademas deja pasar la corriente que hizo que se abriera la puerta junto con la que entra por el colector, asi que la salida por el emisor es muy cercana a la suma de ambos voltajes. El voltaje que estimula la base debe ser menor que el que entra por el colector, por eso en este caso hay una resistencia a la base, porque la fuente es la misma que la del colector, entonces los voltajes serian los mismos.

Este esquema es la base de un sistema de puente h a partir de transistores, aunque no es tan simple como parece, hay varios factores que complican el funcionamiento y la implementacion de un circuito directamente como el que se muestra, principalmente por el hecho de que los transistores amplifican el voltaje sumando colector y base, ademas hay cierta retroalimentacion entre el motor, que actua como generador cuando gira por inercia, al dejar de estimularlo.

Tenemos tambien otro tipo de transistores, que no afectan el voltaje de salida del emisor estos transistores FET, requieren, eso si, unpoco mas de cuidado al utilizarlos pero son una solucion my utilizada en al construccion del puente h.

En otros sitios podemos encontrar circuitos detallados, con la lista de componentes necesarios, Aqui pueden encontrar un buen ejemplo

circuitos integrados

El circuito de un puente h en general es muy utilizado, en robotica debe ser uno de los imprescindibles, es por eso que, ademas de una infinidad de circuitos desarrollados por otras personas, podemos encontrarlos como circuitos integrados, hay una variedad suficiente como para desarrollar pequeños proyectos sin invertir en los gastos de un desarrollo mas grande, aunque en general no son componentes baratos. Hemos probado el modelo L298, muy utiles para el alcance de nuestros proyectos, es relativamente barato y sirve para controlar dos motores.

El L298, en realidad, son cuatro circuitos independientes, que funcionan como medio puente h cada uno,  de esta manera podemos utilizarlo para controlar dos motores independientemente solo es cosa de orden al hacer las conexiones. En las imagenes se ven las conexiones en base a la numeracion de los conectores, no representan para nada la forma en que se encuentran en el chip.

Hacer que funcione podria ser un sufrimiento eterno si no revisamos el datasheet, el componente esta pensado para ser mas flexible que un par de puentes h, esto mismo es lo que nos complica al ver sus 15 patas alternadas adelante y atras si el circuito en realidad requiere menos que eso.

Veamos por partes, en este caso, al modelo Multiwatt15, sus terminales se encuentran alternados adelante y atras pero al mirarlo de frente podemos ubicar todos alineados de izquierda a derecha, con la numeracion de 1 a 15 respectivamente (los numeros no estan marcados, hay que contar de izquierda a derecha).

Como la mayoria de los circuitos integrados, el L298 necesita una linea de alimentacion para su funcionamiento logico interno, para eso contamos con la pata 9, aqui debe ir conectada la fuente de alimentacion logica (hasta 7V, idealmente 5V) por otro lado los motores que controla tienen una alimentacion distinta, para eso tenemos la pata 4 (hasta 50V), la tierra es comun a estas dos lineas de alimentacion y se encuentra en la pata 8.

Para considerar este chip como 2 puentes h independientes debemos saber cuales son sus salidas y cuales sus entradas de control, para salida del primer puente estan las patas 2 y 3, es decir aqui va conectado uno de los motores. para definir la direccion necesitamos dos entradas, al activar una o la otra, el motor gira en uno u otro sentido. Las patas correspondientes a las salidas 2 y 3, son 5 y 7. De la misma manera tenemos el segundo puente h, con salidas en las patas 13 y 14 (aqui va el segundo motor), controladas por las entradas 10 y 12.

Como opciones extra tenemos un par de conectores que nos permiten activar o desactivar los puentes h descritos, esto no se refiere al sentido en que giran los motores, simplemente se trata de si los circuitos funcionan o no. Lo que hacen las patas es activar el funcionamiento del puente al recibir un voltaje cercano al de su alimentacion logica (pata 9), entonces si queremos activar el funcionamiento del  primer puente, el terminal 6 debe estar activado, el segundo puente es controlado por la pata 11, podemos conectar ambos terminales directamente a la alimentacion logica si queremos que siempre esten habilitados los puentes. El ultimo bonus en patas lo dan los extremos, que al compararse con la pata 8 podemos determinar la carga a la que se somete cada puente h, el primero se monitorea en la pata 1, el segundo en la 15, podemos derivarlas directamente a tierra si no nos interesa esta funcion.

Como ultima acotacion, este chip funciona con voltajes TTL en sus entradas, debemos asegurarnos que las entradas que no estan activadas esten realmente desactivadas. En general si trabajamos con algun microcontrolador las salidas digitales de estos son High o Low, con eso bastaria, ahora si queremos hacerlo funcionar con una botonera tendriamos que pensar en utilizar pulldowns, resistencias bajas (200R p.ej.) conectadas a tierra, para asegurarnos que las entradas esten en Low constantemente y al ser activadas el voltaje de activacion alcance los 5V, considerando que hay una resistencia conectada a tierra, a esto se suman diodos que aislan esta conexion a tierra entre todos los pulldowns, o habria una conexion directa entre todos los terminales de entrada.