Control de motores de Corriente Continua-Puente en H

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Control de motores de Corriente Continua-Puente en H
DOCUMENTACIÓN GENÉRICA
PLATAFORMA GUADALBOT
I.E.S VIRGEN DE LAS NIEVES
Control de motores de Corriente
Continua-Puente en H
Página 2. Fundamento
Página 3. Puentes en H integrados. L293 y L293D
Página 5. Control PWM con el L293D para el control de la velocidad de giro
de motores DC
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Fundamento
El esquema que se denomina puente en H es el que vemos en la figura 1, recibiendo el
nombre precisamente de la distribución de los transistores. La configuración es de las
más usadas en el control de motores de corriente continua.
+
-
Figura 1
El funcionamiento es el siguiente:
Si aplicamos una señal positiva (1) en la entrada "Adelante" el transistor Q1 se pone en
conducción saturandose. La corriente de colector de Q1 circula por la base de Q2 y la de
emisor por la de Q5, lo que provoca que al terminal positivo del motor llegue VCC, debido
a la saturación de Q2, y que el negativo quede conectado a tierra por la saturación de Q5.
Si, en cambio, aplicamos señal positiva en la entrada "Atras" conducirá el transistor Q6,
que cierra su corriente por las bases de Q4 y Q3. En este caso se aplica VCC al terminal
negativo del motor y es el terminal positivo el queda conectado a tierra, haciendo que el
motor gire en sentido contrario al anterior. Pero el puente en H no sólo puede controlar el
sentido de giro, también permite estrategias de frenado diferentes de la pasiva. Así, es
posible frenar el motor de forma dinámica, que provoca un frenado más rápido del motor.
Esta forma de frenado, en su forma básica, consiste en forzar un frenado
electromagnético mediante la creación de un cortocircuito de los terminales del motor. La
forma de cortocircuitar los terminales es sencilla: Adelante=Atras=0. Otra forma de
provocar el frenado rápido del motor (muy rápido en este caso) es mediante la inversión
de la tensión en sus extremos durante el tiempo necesario para producir la parada del
mismo. Mientras más potente sea el motor menos aconsejable es este sistema de
frenado.
La combinación Adelante=Atras=1 debe evitarse a toda costa, ya que Q2, Q3, Q4 y Q5
cerrarán circuito directamente entre el positivo de la fuente de alimentación y tierra, sin
pasar por el motor, lo que provocará una corriente excesiva entre colector y emisor que
los destruirá. Incluso si la fuente no posee protección, también ésta podrá sufrir
importantes daños. Al efecto existen varias formas de evitar esto, utilizando circuitos que
impiden esta situación y que se denominan de forma genérica "de interlock".
Generalmente son circuito basados en puertas lógicas como el de la figura 2.
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Figura 2
Puentes en H integrados. L293 y L293D
Estos integrados incluyen cuatro circuitos (Figura 3) que permiten manejar cargas de
potencia media como pequeños motores y cargas inductivas. En la figura 3 observamos
la distribución o diagrama de pines del integrado, viendo a su derecha la tabla de
funcionamiento de cada uno de los circuitos.
ENTRADAS†
A
EN
SALIDA
Y
H
L
X
H
H
L
H
L
Z
H = nivel alto L = nivel bajo X = indiferente
Z = alta impedancia EN = habilitación
† en modo de parada o corte por protección
térmica, las salidas se ponen en estado de
alta impedancia, sin que afecte al estado de
las entradas
Figura 3
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La principal diferencia entre ambos radica en que el L293D incorpora internamente los
diodos de protección frente a corrientes inversas que producen las cargas inductivas y el
L293 no los incluye, además de las diferencias electricas siguientes:
L293
L293D
Corriente de pico de salida no repetitiva ±2 A (t ≤ 5 ms) ±1.2 A (t ≤ 100 µs)
Corriente continua de salida
±1 A
Tensión de alimentación
±600 mA
4.5 a 36 V
Los circuitos individuales se pueden usar de manera independiente para controlar cargas
de todo tipo y, en el caso de ser motores, manejar un único sentido de giro. Pero además,
cualquiera de estos cuatro circuitos sirve para configurar la mitad de un puente H.
Entonces el circuito integrado permite formar dos puentes H con los que podemos
manejar dos motores de forma bidireccional, con frenado rápido y posibilidad de
implementar fácilmente el control de velocidad con PWM o Regulación por Ancho de
Pulso (PWM es acrónimo de Pulse-Width-Modulated).
En la figura 4 podemos ver el diagrama lógico simplificado correspondiente a cada puente
en H.
Figura 4
Las entradas son compatibles con niveles TTL incluso cuando governamos motores de
tensiones no compatibles con niveles TTL. Para lograr esto el integrado dispone de pines
de alimentación separados, uno para la lógica (VCC2, que debe ser de 5V) y otro para la
alimentación de la carga (VCC1, que puede variar entre 4,5V y 36V).
Las salidas se pueden habilitar por parejas mediante una señal TTL. Los circuitos de
manejo de potencia 1 y 2 se habilitan con la señal 1,2EN y los circuitos 3 y 4 con la señal
3,4EN. Las entradas de habilitación permiten controlar con facilidad el circuito y facilitan el
control de velocidad mediante PWM, como veremos posteriormente. Las salidas actúan
cuando su correspondiente señal de habilitación está en alto. En estas condiciones, las
salidas están activas y su nivel varía en relación con las entradas. Cuando la señal de
habilitación del par de circuitos de manejo está en bajo, las salidas están desconectadas y
en un estado de alta impedancia.
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En la figura 5 vemos el conexionado correspondiente a:
Izquierda - motor con giro en ambos sentidos mediante puente en H
Derecha - dos motores con giro en sentido único
Figura 5
La imagen se obtiene del datasheet del dispositivo y corresponde a un L293 que no tiene
los diodos de protección internos.
En la figura 6 vemos el ejemplo de circuito en forma de puente H (obtenido del datasheet)
para el control bidireccional de un motor y a su derecha vemos la tabla de funcionamiento.
EN 1A 2A FUNCIONAMIENTO
H
H
H
H
L
L
H
L
H
X
H
L
L
H
X
Giro a derechas
Giro a izquierdas
Parada rápida
Parada rápida
Parada rápida
H=alto L=bajo X=no importa
Figura 6
Control PWM con el L293D para el control de la velocidad de giro de motores DC
El control de la velocidad de giro de los motores DC se
consigue controlando la tensión de alimentación del
motor. Una forma de conseguir esto es mediante
dispositivos trabajando linealmente, por ejemplo como
se muestra en la figura 7. Sin embargo, aunque la
sencillez de este sistema es obvia, no es la forma más
adecuada de controlar la velocidad del motor. La causa
principal es el desperdicio de energía que se produce en
el
elemento activo, el transistor.
Figura 7
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Para evitar el inconveniente anterior se suele recurrir a hacer trabajar los elementos de
control en conmutación, es decir, en lugar de aplicar una corriente continua, aplicar una
señal de pulsos (figura 8) a los que les podamos regular su anchura. Este sistema de
control se le denomina PWM o Regulación por Ancho de Pulso (PWM es acrónimo de
Pulse-Width-Modulated). En este modo de trabajo estos elementos apenas disiparán
potencia.
Figura 8
Veamos cómo se puede usar PWM con los puentes en H integrados, tal como vemos en
la figura 9 para el L293D.
Figura 9
La señal PWM no se introduce por donde cabía esperar, sino por la entrada de
habilitación. Esto es así para evitar el frenado dinámico que se produciría durante los
tiempos en bajo de la señal PWM, lo que provocaría que el control de la velocidad de giro
no fuese eficaz.
Cuando el motor se controla con PWM su velocidad de giro vendrá dada por la expresión
lineal siguiente:
T ON
N =CT⋅No , siendo CT =
T ON +T OFF
donde No es la velocidad de giro máxima para la tensión de alimentación Vs, N es la
velocidad de giro para un determinado ciclo de trabajo, CT, TON es el tiempo en nivel alto
de los impulsos y TOFF el tiempo en nivel bajo.
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