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 aislado de CC a CC [2] la mayoría de los controladores de motor y muchos otros tipos de electrónica de potencia Utilice puentes H. En particular, un motor paso a paso bipolar casi siempre es accionado 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 dicho 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 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, permitiendo el funcionamiento inverso del motor.
Usando la nomenclatura anterior, los interruptores S1 y S2 nunca deben cerrarse al mismo tiempo, ya que esto causaría 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.
El puente H se utiliza para suministrar energía a un dispositivo de dos terminales. Con la disposición adecuada de los interruptores, se puede cambiar la polaridad de la alimentación al dispositivo. A continuación se analizan dos ejemplos: controlador de motor de CC y transformador del regulador de conmutación. Tenga en cuenta que no todos los casos de condición de conmutación son seguros. Los casos de "cortocircuito" (ver más abajo en la sección "Controlador de motor de CC") son peligrosos para la fuente de alimentación y para los interruptores.
Cambiar la polaridad de la fuente de alimentación al 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 operación adicionales, "freno" y "marcha libre hasta parada por fricción". La disposición del puente H se usa generalmente para invertir la polaridad/dirección del motor, pero también se puede usar para "frenar" el motor, donde el motor se detiene repentinamente 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 desacelere. Otro caso permite que el motor se detenga por inercia, ya que el motor está efectivamente desconectado del circuito. La siguiente tabla resume el funcionamiento, correspondiendo S1-S4 al diagrama anterior. En la siguiente tabla, "1" se utiliza para representar el estado "encendido" del interruptor y "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 serie de relés de un tablero de relés. [3]
Un relé " bipolar y bidireccional " (DPDT) generalmente puede lograr 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 donde se necesita un tamaño físico más pequeño, conmutación de alta velocidad o voltaje de accionamiento bajo (o potencia de accionamiento baja), o donde el desgaste de las piezas mecánicas no es deseable.
Otra configuración es tener un relé DPDT para establecer la dirección del flujo de corriente y un transistor para permitir el flujo de corriente. Esto puede prolongar 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 actual.
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 ON de los MOSFET de canal P. Esto requiere un diseño más complejo ya que las compuertas de los MOSFET del lado alto deben ser positivas con respecto al riel de suministro de CC. Muchos controladores de compuerta MOSFET de circuito integrado incluyen una bomba de carga dentro del dispositivo para lograr esto.
Alternativamente, se puede utilizar un convertidor CC-CC de fuente de alimentación de modo conmutado para proporcionar suministros aislados ("flotantes") al circuito de accionamiento de la puerta. Un convertidor flyback de múltiples salidas es muy adecuado para esta aplicación.
Otro método para controlar puentes MOSFET es el uso de un transformador especializado conocido como GDT (transformador de accionamiento de puerta), que proporciona salidas aisladas para controlar las puertas superiores de los FET. El núcleo del transformador suele ser un toroide de ferrita, con una relación de devanado de 1:1 o 4:9. Sin embargo, este método sólo se puede utilizar con señales de alta frecuencia. El diseño del transformador también es muy importante, ya que se debe minimizar la inductancia de fuga o puede producirse conducción cruzada. Las salidas del transformador suelen estar sujetas por diodos Zener , porque los picos de alto voltaje podrían destruir las puertas MOSFET.
Una variación común de este circuito utiliza solo dos transistores en un lado de la carga, similar a un amplificador de clase AB . Esta configuración se denomina "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 Half-H se abrevia comúnmente como "Half-H" para distinguirlo de los puentes H completos ("Full-H"). Otra variación común, agregar una tercera "pata" al puente, crea un inversor trifásico . El inversor trifásico es el núcleo de cualquier motor de CA.
Una variación adicional es el puente semicontrolado, donde 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 por disparo y se usa comúnmente para accionar máquinas y actuadores de reluctancia conmutada o variable donde no se requiere un flujo de corriente bidireccional .
Hay muchos paquetes 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 en productos semiconductores más modernos, todavía se encuentra en muchos circuitos de aficionados. Pocos paquetes, como el L9110, [5] tienen diodos flyback incorporados para protección contra EMF.
Un uso común del puente H es un inversor . La disposición a veces se conoce como inversor puente monofásico.
El puente H con suministro 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 la corriente sería una onda triangular, cuyo pico dependería de la inductancia, la frecuencia de conmutación y el voltaje de entrada.
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