H simples

No início, dirigir um motor pode parecer uma tarefa fácil - basta conectar o motor ao trilho de tensão apropriado e ele começará a girar. Mas esta não é a maneira perfeita de acionar um motor, especialmente quando há outros componentes envolvidos no circuito. Aqui, discutiremos uma das formas mais comumente usadas e eficientes de acionar motores CC - o circuito H-Bridge.

Condução motorizada

O tipo mais comum de motor que você pode encontrar em círculos amadores para aplicações de baixa potência é o motor de 3 Vcc mostrado abaixo. Este tipo de motor é otimizado para operação em baixa tensão de duas células de 1,5V.

E operá-lo é tão simples quanto conectá-lo a duas células - o motor liga instantaneamente e funciona enquanto as baterias estão conectadas. Embora esse tipo de configuração seja bom para aplicações 'estáticas' como um moinho de vento em miniatura ou ventilador, quando se trata de uma aplicação 'dinâmica' como robôs, é necessária mais precisão - na forma de velocidade variável e controle de torque.

É óbvio que diminuir a tensão no motor diminui a velocidade e uma bateria descarregada resulta em um motor lento, mas se o motor for alimentado por um trilho comum a mais de um dispositivo, é necessário um circuito de acionamento adequado.

Isso pode até mesmo ser na forma de um regulador linear variável como o LM317 - a tensão no motor pode ser variada para aumentar ou diminuir a velocidade. Se mais corrente for necessária, este circuito pode ser construído discretamente com alguns transistores bipolares. A maior desvantagem desse tipo de configuração é a eficiência - assim como com qualquer outra carga, o transistor dissipa toda a potência indesejada.

A solução para este problema é um método chamado PWM ou modulação por largura de pulso. Aqui, o motor é acionado por uma onda quadrada com um ciclo de trabalho ajustável (a relação entre o tempo e o período do sinal). A potência total fornecida é proporcional ao ciclo de trabalho. Em outras palavras, o motor é alimentado por uma pequena fração do período de tempo - então, com o tempo, a potência média do motor é baixa. Com um ciclo de trabalho de 0%, o motor está desligado (sem fluxo de corrente); com um ciclo de trabalho de 50%, o motor funciona com metade da potência (metade do consumo de corrente) e 100% representa a potência total no consumo máximo de corrente.

Isso é implementado conectando o lado alto do motor e acionando-o com um MOSFET de canal N, que é acionado novamente por um sinal PWM.

Isso tem algumas implicações interessantes - um motor de 3 V pode ser acionado usando uma fonte de 12 V usando um ciclo de trabalho baixo, pois o motor vê apenas a tensão média. Com um design cuidadoso, isso elimina a necessidade de uma fonte de alimentação separada do motor.

E se precisarmos inverter a direção do motor? Isso geralmente é feito comutando os terminais do motor, mas isso pode ser feito eletricamente.

Uma opção poderia ser usar outro FET e um suprimento negativo para mudar de direção. Isso requer que um terminal do motor seja permanentemente aterrado e o outro conectado à alimentação positiva ou negativa. Aqui, os MOSFETs atuam como uma chave SPDT.

No entanto, existe uma solução mais elegante.

O circuito do driver do motor H-Bridge

Este circuito é chamado de ponte H porque os MOSFETs formam os dois cursos verticais e o motor forma o curso horizontal do alfabeto 'H'. É a solução simples e elegante para todos os problemas de direção do motor. A direção pode ser alterada facilmente e a velocidade pode ser controlada.

Em uma configuração de ponte H, apenas os pares diagonalmente opostos de MOSFETs são ativados para controlar a direção, como mostrado na figura abaixo:

Ao ativar um par de MOSFETs (diagonalmente opostos), o motor vê o fluxo de corrente em uma direção e quando o outro par é ativado, a corrente através do motor inverte a direção.

Os MOSFETs podem ser deixados ligados para potência total ou PWM-ed para regulagem de potência ou desligados para permitir a parada do motor. Ativar os MOSFETs inferior e superior (mas nunca juntos) freia o motor.

Outra maneira de implementar o H-Bridge é usar 555 timers, que discutimos no tutorial anterior.

Componentes necessários

Para o H-Bridge

motor DC
2 MOSFETs IRF3205 de canal N ou equivalente
2 MOSFETs IRF5210 de canal P ou equivalente
2x resistores de 10K (suspenso)
2x capacitores eletrolíticos de 100uF (desacoplamento)
2x capacitores de cerâmica 100nF (desacoplamento)

Para o circuito de controle

1x 555 timer (qualquer variante, de preferência CMOS)
1x TC4427 ou qualquer driver de portão apropriado
2x 1N4148 ou qualquer outro sinal / diodo ultrarrápido
1 potenciômetro de 10K (cronometragem)
1x resistor 1K (tempo)
Capacitor 4.7nF (tempo)
Capacitor 4.7uF (desacoplamento)
Capacitor de cerâmica 100nF (desacoplamento)
Capacitor eletrolítico de 10uF (desacoplamento)
Interruptor SPDT

Esquemas para Circuito H-Bridge Simples

Agora que tiramos a teoria do caminho, é hora de sujar as mãos e construir um driver de motor H-bridge. Este circuito tem potência suficiente para acionar motores de médio porte até 20A e 40V com construção e dissipador de calor adequados. Alguns recursos foram simplificados, como o uso de uma chave SPDT para controlar a direção.

Além disso, os MOSFETs de lado alto são canal P para simplificar. Com o circuito de condução apropriado (com bootstrapping), MOSFETs de canal N também podem ser usados.

O diagrama de circuito completo para este H-Bridge usando MOSFETs é fornecido abaixo:

Explicação de trabalho

1. O cronômetro 555

O temporizador é um circuito 555 simples que gera um ciclo de trabalho de cerca de 10% a 90%. A frequência é definida por R1, R2 e C2. Altas frequências são preferidas para reduzir o chiado audível, mas isso também significa que um driver de gate mais poderoso é necessário. O ciclo de trabalho é controlado pelo potenciômetro R2. Saiba mais sobre como usar o temporizador 555 no modo astável aqui.

Este circuito pode ser substituído por qualquer outra fonte PWM como um Arduino.

2. Motorista de portão

O gate-driver é um TC4427 padrão de dois canais, com coletor / fonte de 1,5 A por canal. Aqui, ambos os canais foram colocados em paralelo para obter mais corrente de transmissão. Novamente, se a frequência for mais alta, o driver do gate precisa ser mais potente.

A chave SPDT é usada para selecionar a perna da ponte H que controla a direção.

3. H-Bridge

Esta é a parte funcional do circuito que controla o motor. As portas MOSFET são normalmente puxadas para baixo pelo resistor suspenso. Isso resulta na ativação de ambos os MOSFETs do canal P, mas isso não é um problema, pois nenhuma corrente pode fluir. Quando o sinal PWM é aplicado às portas de uma perna, os MOSFETs dos canais N e P são ligados e desligados alternadamente, controlando a energia.

Dicas de construção de circuito H-Bridge

A maior vantagem desse circuito é que ele pode ser dimensionado para acionar motores de todos os tamanhos, e não apenas motores - qualquer outra coisa que precise de um sinal de corrente bidirecional, como inversores de onda senoidal.

Ao usar este circuito, mesmo em baixas potências, o desacoplamento localizado adequado é uma necessidade, a menos que você queira que seu circuito tenha falhas.

Além disso, se construir este circuito em uma plataforma mais permanente como um PCB, um grande plano de aterramento é recomendado, mantendo as partes de baixa corrente longe dos caminhos de alta corrente.

Portanto, este circuito H-Bridge simples é a solução para muitos problemas de direção do motor, como bidirecional, gerenciamento de energia e eficiência.