Un puente H es un circuito electrónico que cambia la polaridad de un voltaje aplicado a una carga. Estos circuitos se utilizan a menudo en robótica y otras aplicaciones para permitir que los motores de CC funcionen hacia adelante o hacia atrás. [1] El nombre se deriva de su representación en diagrama esquemático común, con cuatro elementos de conmutación configurados como las ramas de una letra "H" y la carga conectada como la barra transversal.
La mayoría de los convertidores de CC a CA ( inversores de potencia ), la mayoría de los convertidores de CA/CA , el convertidor push-pull de CC a CC , el convertidor de CC a CC aislado [2], la mayoría de los controladores de motores y muchos otros tipos de electrónica de potencia utilizan puentes H. En particular, un motor paso a paso bipolar casi siempre es impulsado por un controlador de motor que contiene dos puentes H.
Los puentes H están disponibles como circuitos integrados o pueden construirse a partir de componentes discretos . [1]
El término puente H se deriva de la representación gráfica típica de un circuito de este tipo. 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 un voltaje positivo a través del motor. Al abrir los interruptores S1 y S4 y cerrar los interruptores S2 y S3, este voltaje se invierte, lo que permite el funcionamiento inverso del motor.
Utilizando la nomenclatura anterior, los interruptores S1 y S2 nunca deben cerrarse al mismo tiempo, ya que esto provocaría un cortocircuito en la fuente de voltaje de entrada. Lo mismo se aplica a los interruptores S3 y S4. Esta condición se conoce como disparo directo.
El puente H se utiliza para suministrar energía a un dispositivo de dos terminales. Mediante la disposición adecuada de los interruptores, se puede cambiar la polaridad de la energía que llega al dispositivo. A continuación se analizan dos ejemplos: el controlador de motor de CC y el transformador del regulador de conmutación. Tenga en cuenta que no todos los casos de condición de conmutación son seguros. Los casos de "cortocircuito" (consulte a continuación la sección "Controlador de motor de CC") son peligrosos para la fuente de alimentación y para los interruptores.
El cambio de la polaridad de la fuente de alimentación del motor de CC se utiliza para cambiar la dirección de rotación. Además de cambiar la dirección de rotación, el puente H puede proporcionar modos de funcionamiento adicionales, "frenado" y "marcha libre hasta parada por fricción". La disposición del puente H se utiliza generalmente para invertir la polaridad/dirección del motor, pero también se puede utilizar para "frenar" el motor, donde el motor se detiene de repente cuando los terminales del motor están conectados entre sí. Al conectar sus terminales, la energía cinética del motor se consume rápidamente en forma de corriente eléctrica y hace que el motor disminuya su velocidad. Otro caso permite que el motor se detenga por inercia, ya que el motor se desconecta efectivamente del circuito. La siguiente tabla resume el funcionamiento, con S1-S4 correspondientes al diagrama anterior. En la tabla siguiente, "1" se utiliza para representar el estado "encendido" del interruptor, "0" para representar el estado "apagado".
El controlador de bobina primaria típico 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 convierte la energía eléctrica en energía magnética y la transfiere nuevamente a energía eléctrica de CA en la bobina secundaria.
Una forma de construir un puente H es utilizar una matriz de relés de una placa de relés. [3]
Un relé de " doble polo y doble tiro " (DPDT) puede lograr generalmente 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 necesita un tamaño físico más pequeño, conmutación de alta velocidad o bajo voltaje de accionamiento (o baja potencia de accionamiento), o cuando no es deseable el desgaste de las piezas mecánicas.
Otra configuración es tener un relé DPDT para fijar la dirección del flujo de corriente y un transistor para habilitar el flujo de corriente. Esto puede extender la vida útil del relé, ya que el relé se activará mientras el transistor esté apagado y, por lo tanto, no habrá flujo de corriente. También permite el uso de conmutación PWM para controlar el nivel de corriente.
Un puente H de estado sólido generalmente se construye utilizando dispositivos de polaridad opuesta, como transistores de unión bipolar (BJT) PNP o MOSFET de canal P conectados al bus de alto voltaje y BJT NPN o MOSFET de canal N conectados al bus de bajo voltaje.
Los diseños de MOSFET más eficientes utilizan MOSFET de canal N tanto en el lado alto como en el lado bajo porque normalmente tienen un tercio de la resistencia de encendido de los MOSFET de canal P. Esto requiere un diseño más complejo, ya que las compuertas de los MOSFET del lado alto deben accionarse de forma positiva con respecto al riel de alimentación de CC. Muchos controladores de compuerta MOSFET de circuitos integrados incluyen una bomba de carga dentro del dispositivo para lograr esto.
Como alternativa, se puede utilizar un convertidor CC-CC de fuente de alimentación en modo conmutado para proporcionar fuentes de alimentación aisladas ("flotantes") a los circuitos de control de la compuerta. Un convertidor flyback de múltiples salidas es adecuado para esta aplicación.
Otro método para controlar los puentes MOSFET es el uso de un transformador especializado conocido como GDT (transformador de control de compuerta), que proporciona las salidas aisladas para controlar las compuertas 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 se puede utilizar con señales de alta frecuencia. El diseño del transformador también es muy importante, ya que la inductancia de fuga debe minimizarse o puede producirse conducción cruzada. Las salidas del transformador suelen estar sujetas por diodos Zener , porque los picos de alto voltaje podrían destruir las compuertas del MOSFET.
Una variación común de este circuito utiliza solo los dos transistores en un lado de la carga, similar a un amplificador de clase AB . Tal configuración se llama "medio puente". [4] Actúa como un interruptor de palanca electrónico, el medio puente no puede cambiar la polaridad del voltaje aplicado a la carga. El medio puente se utiliza en algunas fuentes de alimentación de modo conmutado que utilizan rectificadores síncronos y en amplificadores de conmutación . El tipo de puente medio H se abrevia comúnmente como "medio H" para distinguirlo de los puentes H completos ("Full-H"). Otra variación común, agregando una tercera "pata" al puente, crea un inversor trifásico . El inversor trifásico es el núcleo de cualquier controlador de motor de CA.
Otra variante es el puente semicontrolado, en el que el dispositivo de conmutación del lado bajo en un lado del puente y el dispositivo de conmutación del lado alto en el lado opuesto del puente se reemplazan por diodos. Esto elimina el modo de falla de disparo continuo y se usa comúnmente para accionar máquinas y actuadores de reluctancia variable o conmutada donde no se requiere flujo de corriente bidireccional .
Existen muchos encapsulados de puente H simple y doble disponibles en el mercado a bajo precio. La serie L293x, que técnicamente está en su mayor parte obsoleta desde fines de la década de 1970 debido a la disminución de las pérdidas de conmutación y las velocidades más altas en los productos semiconductores más modernos, todavía se encuentra en muchos circuitos de aficionados. Algunos encapsulados, como el L9110, [5] tienen diodos flyback incorporados para protección contra campos electromagnéticos.
Un uso común del puente H es como inversor . El sistema a veces se conoce como inversor de puente monofásico.
El puente en H con una fuente de CC generará una forma de onda de voltaje de onda cuadrada a través de la carga. Para una carga puramente inductiva, la forma de onda de corriente sería una onda triangular, con su pico dependiendo de la inductancia, la frecuencia de conmutación y el voltaje de entrada.
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