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Ponte-H com controle PWM (mec009)

 

Dois circuitos são fundamentais em qualquer aplicação que envolva motores de corrente contínua: pontes H e controles PWM. Neste circuito, dedicado aos projetistas de equipamentos de automação, robótica, mecatrônica e eletrônica embarcada combinamos os dois circuitos num só, com a possibilidade de se ter ao mesmo tempo o controle de sentido de rotação e potência para um motor DC comum.

 

 

 

Uma das desvantagens das pontes H que fazem uso de configurações comuns com transistores, como a mostrada na figura 1, e que são comandadas por sinais aplicados a duas entradas é que elas possuem "estados proibidos" que levam dois transistores de um mesmo ramo à condução colocando em curto a alimentação com o sério perigo de sobrecarga para os transistores.

 

A tabela dada a seguir mostra estes estados:

 

ENT1 ENT2 Estado do Motor

Alto Baixo Rotação Sentido Direto

Baixo Alto Rotação Sentido Inverso

Baixo Baixo Parado

Alto Alto Estado Proibido (curto)

 

Para se evitar este problema que ocorre com a existência de um estado proibido o que se faz é agregar uma lógica de entrada como a mostrada na figura 2 e que leva o motor a ter apenas duas situações possíveis : rodar no sentido direto e inverso.

 

 

A desvantagem óbvia deste circuito é que ele não tem um terceiro estado (parado) que possa ser comandado por níveis lógicos externos.  A nossa proposta neste projeto é interessante: mantemos a configuração lógica para dois sentidos de rotação e agregamos um controle PWM que permite não só agregar este terceiro estado (parado) comandado por nível lógico como também um controle de velocidade PWM.

No nosso caso o controle PWM é feito por um potenciômetro mas nada impede que venha de algum tipo de sensoriamento externo. Se, por exemplo, o potenciômetro for substituído por um LDR, podemos usar uma pequena lâmpada para enviar o nível de excitação ou velocidade de rotação a partir de um amplificador ligado a sensores, como mostrado na figura 3.

 

 

Este amplificador operacional por ser ligado a uma referência de tensão ou mesmo a uma interface de computador para se ter o controle externo de velocidade. O circuito se baseia totalmente em lógica CMOS e FETs de potência podendo controlar motores de vários ampères dependendo apenas dos transistores escolhidos.

 

Dentre as aplicações possíveis temos:

Robôs móveis

Braços móveis e elevadores

Sistemas de ventilação inteligentes

Bombas de água inteligentes

Sistemas de automação que usem motores

 

 

COMO FUNCIONA

Para saber como funciona uma ponte H sugerimos que o leitor veja outros artigos desta seção ou consulte nosso livro “Eletrônica Para Mecatrônica”ou as edições em inglês Mechatronics Sourcebook e Robotics, Mechatronics and Artificial Intelligence.  De uma forma resumida, o que temos são 4 transistores (bipolares ou FETs de potência) ligados num circuito como o mostrado na figura abaixo.

Polarizando Q1 e Q4 a corrente circula num sentido pelo motor e polarizando Q2 e Q3 a corrente circula no sentido oposto pelo motor. Como o sentido de rotação do motor depende do sentido da corrente podemos fazer o motor girar no sentido desejado a partir de comandos externos. No nosso caso, usamos 4 FETs de potência e para ter a polarização correta dois a dois de modo a se evitar o estado proibido visto na introdução, usamos duas portas NAND de um circuito integrado 4011 como inversoras.

Desta forma, quando a entrada é levada ao nível alto (1) o motor gira num sentido e quando levada ao nível baixo (0) o motor gira no sentido oposto.    Entra em seguida em série com o circuito o bloco PWM que usa um FET de potência (Q5) controlado por um oscilador com base nas duas outras portas do circuito integrado 4011.

O sinal gerado pelo oscilador tem um ciclo ativo e frequência que depende do ajuste de P1 e mais: o oscilador pode ser habilitado ou desabilitado com um sinal lógico na entrada.  Quando desabilitado o transistor é levado ao corte e a ponte H não recebe alimentação. O motor fica parado.

Quando habilitado o tempo durante o qual a ponte conduz é dado pela largura do pulso gerado pelo oscilador. Este tempo determina a tensão média no motor e portanto sua velocidade.

Os componentes do controle PWM dependem muito do tipo de motor usado. Para se encontrar a frequência em que se tenha o melhor desempenho C3 pode ser alterado na faixa que vai de 22 nF até 470 nF.  O circuito pode funcionar com motores de 9 a 15 V.

 

 

MONTAGEM

Na figura 5 temos o diagrama completo da ponte H com controle PWM.

O aparelho pode ser montado numa placa de circuito impresso conforme mostra a figura 6.

 

O tamanho dos radiadores de calor dos transistores de potência depende da corrente que eles devem controlar. Os FETs indicados podem controlar correntes de até uns 5 ampères sem problemas. Tipos como o IRF640 que são comuns no nosso mercado podem trabalhar com corrente maiores.

Os demais componentes não são críticos, devendo ser mantidas as trilhas grossas da placa de circuito impresso em vista da intensidade da corrente. Os capacitores C1 e C2 são importantes para desacoplar o circuito da fonte de modo a se evitar que os picos de tensão gerado pela comutação de uma carga indutiva como é o motor se propaguem pelo restante do circuito causando sua instabilidade de funcionamento.

Lembramos que as baixas Rds(on) dos FETs de potências só são válidas quando eles são excitados com tensões relativamente elevadas, o que implica que em outras condições de funcionamento eles podem dissipar tanto calor quanto transistores bipolares comuns na mesma aplicação.

 

PROVA E USO

Para provar pode-se usar qualquer motor DC comum ligado ao circuito. Alimenta-se o circuito com a tensão necessária ao seu funcionamento e coloca-se a entrada E2 no nível alto para habilitar o controle PWM e a entrada E1 no nível baixo.

Não se recomenda usar o circuito com tensões de alimentação abaixo de 9 V dada as características de alta resistência apresentadas pelos Power FETs quando excitados com baixas tensão.

Girando o potenciômetro de modo a reduzir sua resistência o motor deve acelerar até a velocidade máxima. Se isso não ocorrer da forma esperada o capacitor C3 deve ser alterado até se encontrar o valor que leve ao melhor desempenho. Valores na faixa de 22 nF até 470 nF podem ser experimentados.

Eventualmente um capacitor de poliéster de 100 nF a 1 uF deve ser ligado em paralelo com o motor caso seja notada instabilidade no seu funcionamento.

Passando agora a entrada e1 ao nível alto (ligando ao positivo da fonte) o motor deve inverter sua rotação. Comprovado o funcionamento é só fazer sua utilização.

 


 

LISTA DE MATERIAL

 

Semicondutores:

CI-1 - 4011 - circuito integrado CMOS

Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 - IRF640, IRF720, IRF511 ou qualquer equivalente - FETs de potência

 

Resistores: (1/8W, 5%)

R1 - 1 M ohms

P1 - 100k ohms - potenciômetro

 

Capacitores:

C1 - 100 uF/16 V - eletrolítico

C2 - 100 nF - poliéster

C3 - 47 nF - poliéster (ver texto)

 

Diversos:

Placa de circuito impresso, radiadores de calor para os transistores, botão para o potenciômetro, fios, solda, etc

 

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