Ponte H - Controle de Motores DC

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Ponte H - Teoria, Conceitos & Usos

Motores são dispositivos que convertem a energia elética em energia mecânica de rotação, e tem infinidades de usos na Eletrônica, Robótica e Mecatrônica.

O maior problema com motores DC é controlar sua rotação e direção para que você possa ter uma ampla gama de utilização.

O PWM resolve o problema de controle de velocidade, onde inserindo um sinal controlado por PWM no motor torna se possível controlara a rotação do mesmo. Outro problema seria com relação ao torque, para isso temos também as caixas de redução que diminuem a rotação do motor, mas garantem um aumento de torque devido a relação existentes para as engrenagens utilizadas.

A ponte H é um conceito utilizado para que seja possível controlara o sentido da rotação (horário ou anti-horário).

Todas as técnicas citadas acima, garantem um excelente uso de motores de corrente DC e de vários tamanhos e potências.

Motor DC de pequeno porte:-

Vista expandida do Motor DC

Alguns modelos







Motor de Passo:-

Servo Motor:-

 






Vamos nos deter na PONTE H:-

Definição do Wikipedia:
Ponte H é um circuito eletrônico que permite que um micro controlador controle um motor DC, o micro controlador por sí não consegue "dar" a corrente necessária para o funcionamento do motor, e ainda torna possível que o motor rode tanto para um sentido quanto o outro. Estes circuitos são geralmente utilizados em robótica e estão disponíveis em circuitos prontos ou podem ser construídos por componentes.

Ponte H - Teórica, com chaves

Funcionamento para os 2 sentidos de rotação

O nome ponte H é dado pela forma que assume o circuito quando montado. O ciruito é construído com quatro "chaves" ( S1-S4 ) que são acionadas de forma alternada ( S1 e S4 ou S2 e S3). Para cada configuração das chaves o motor gira em um sentido.
As chaves S1 e S2 assim como as chaves S3 e S4 nao podem ser ligadas ao mesmo tempo pois podem gerar um curto circuito.
Para construção da ponte H pode ser utilizado qualquer tipo de componente que simule uma chave liga-desliga como transistores, relés, MOSFETs.
Para que o circuito elétrico fique protegido, é aconselhável que sejam configuradas portas lógicas com componentes 7408 e 7406 a fim de que nunca ocorram as situações de curto circuito descritas acima.
Outro melhoramento que pode ser feito à ponte H , seria a colocação de diodos entre as "chaves", pois quando a corrente não tem onde circular, no caso de o motor parar, ela volta para a fonte de alimentação
economizando assim o gasto de energia de uma bateria ou evitando que a corrente danifique o microcontrolador, por exemplo.


Quem quiser aprofundar-se mais um pouco no assunto, sugiro a leitura do artigo:
http://www.maxwellbohr.com.br/downloads/robotica/mec1000_kdr5000/tutorial_eletronica_-_montagem_de_uma_ponte_h.pdf

HARDWARE & MATERIAIS:

1 x Arduino Duemilanove, UNO, MEGA ou Teensy
1 x BreadBoard
4 x TIP-120
1 x Circuito Integrado L298N - Ponte H Dupla
2 x Transistores BC548
2 x Transistores BC558
2 x Resistores de 0,47 Ohms x 2W
4 x Resistores de 1K Ohms
4 x diodos 1N4148
2 x Capacitores de 100 nF cerâmicos
2 x Chaves 1 Pólo x 2 Posições
1 x Pack de Bateria de 9V ou 4,5V
Fios e Cabos para as conexões


CIRCUITO & ESQUEMAS:

Primeiro teste; simulação com chaves:
Usando o diagrama citado na parte teórica acima, e usando duas chaves de 1 x pólo / 2 x posições.

Chave Liga/Desliga/Liga Alavanca 3T

Segundo teste; usando transistores NPN e PNP (isso evita a condição de termos as chaves de um lado da ponte ligadas ao mesmo tempo.  Podendo ser usados transistores BC548 e BC558 (NPN e PNP, respectivamente).
Neste caso, os transistores Q4 e Q1 serão mantidos no estado de saturação (para um sentido de rotação) enquanto Q3 e Q2 são mantidos no estado de corte (base em 0 Volts)
E para o outro sentido, o caso inverso; Q4/Q1 em corte e Q3/Q2 em saturação.

Os diodos são para proteção dos Transistores devido à força contra eletromotriz gerada pelo motor durante os acionamentos de partida e paradas bruscas.
O capacitor serve para minimizar picos de tensão nas bobinas do motor, bem como evitar faiscamento nas escovas. Além disso, serve também para:
- Filtrar ruídos de Alta-Freqüência
- Minimizar interferências em equipamentos de RF (rádios AM/FM, televisores, etc...)

Para acionamento do primeiro sentido de rotação, devemos ter:
Q4 e Q1 no estado de saturação = Q4 sem sinal na base e Q1 com sinal positivo na base
Enquanto isso Q3 e Q2 devem ficar no estado de corte, ou seja: Q3 sem sinal na base e Q2 com sinal positivo na base.
O inverso ocorrendo para o segundo sentido de rotação.
Resumindo: Q4 e Q3 devem ser acionados ao mesmo tempo e com o mesmo tipo de sinal, enquanto Q2 e Q1 também devem se acionados ao mesmo tempo e com o mesmo tipo de sinal.
Veja tabela:

Sentido 1 => Q4=Q3=sem sinal         e Q2=Q1=sinal positivo
Sentido 2 => Q4=Q3=sinal positivo   e Q2=Q1=sem sinal

Estes circuitos usando transistores bipolares de baixo ganho, tem um inconveniente:

O consumo de corrente elevado na porta do Arduino!!!

Analisando a curva de ganho (HFE) x corrente de coletor (IC) de um transistor bipolar BC548 temos:

Podemos ver que para correntes de coletor de 2 mA o ganho seria de 300 vezes.
Enquanto que para correntes de coletor de 300 mA o ganho seria de 20 vezes apenas.
Isso nos mostra que para termos correntes de  300 mA, exigidas pelos motores DC, necessitaríamos de correntes de base de 15 mA ou maior (15 mA x 20 = 300 mA).
O Arduino pode fornecer no máximo 40 mA nas portas.

Calculo do resistor
R=V/I
R=(5V - 0,7V) / 0,015 ~= 280 Ohms

Quanto menos corrente sendo consumida da porta do Arduino, melhor....


Terceiro teste; Ponte H com Transistores Darlington  TIP-120 (NPN):
Usando o esquema abaixo.

Exemplo com Transistores NPN TIP-120

Neste circuito não é necessário os diodos, pois o TIP-120 já tem internamente um diodo de proteção.

Conforme as entradas A e B recebem níveis ALTO ou BAIXO, teremos determinado o sentido de rotação.
segundo a tabela abaixo:

A = ALTO, B = BAIXO -> Sentido Direto de rotação
A = BAIXO, B = ALTO -> Sentido Reverso de rotação
A = BAIXO, B = BAIXO -> Parado
A = ALTO, B = ALTO -> PROÍBIDO, Curto Circuito

Os transistores Darlingtons tem um ganho maior para altas correntes de coletor, reduzindo aquele problema anteriormente citado.
Veja na figura abaixo, que para altas correntes de coletor, temos altos ganhos... acima de 1000
Assim, por exemplo: para 300 mA teriamos ganho de 1200 vezes (usando 1 mA na base) teríamos um resistor de base igual a:

R = (5V - 0,7V) / 0,001 ~= 4300 Ohms

Circuito equivalente

Substrato

Quarto teste; usando o Circuito Integrado (CI) L298N Dual H-Bridge (Ponte H Dupla).
DataSheet do L298
http://www.sparkfun.com/datasheets/Robotics/L298_H_Bridge.pdf

L298N Substrato

Ponte H Dupla - L298N. 
Alimentação de 5V - 35V. 
Corrente máxima de 2A. 
Potencia máxima de 25W. 
Pode comandar um stepper de 2 fases ou um stepper de 4 fases ou 2 motores DC. 

L298N Pinagem

L298N Diagrama em Blocos

Como mostrado no diagrama acima, temos os pinos 1 e 15 como sendo o Current sense (sensor de corrente). Na verdade este pino pode ser ligado diretamente ao GND de nosso circuito, mas toda via o uso correto seria colocando um resistor de baixíssimo valor (para não interferir na corrente de saída, cerca de 0,1 Ohm) e de tal forma que possamos medir a tensão em cima deste resistor e calcular a corrente que está sendo fornecida (funciona como um shunt). Por isso o resistor deve ter uma dissipação potência elevada, da ordem de 1 a 5 Watts dependendo da corrente a ser usada na saída (geralmente usa se associação de resistores em paralelo para isto).
O pino 4, Supply voltage Vs é a tensão de alimentação para os motores, enquanto que o pino 9, Logical Supply Voltage Vss é a tensão do circuito de controle +5V do Arduino. o pino 8, GND é comum aos dois circuitos.
Sempre colocar um capacitor de desacoplamento de 100nF entre os VCC/VDD (Vss/Vs) e o terra.
Os pinos 6 e 11 (ponte A e ponte B) Enable, podem ser colocados en nível alto diretamente conectados ao Vs, ou podem ser usados por pinos de controle provenientes do Arduino

L298N Circuito Típico com 2 motores

Você pode também usar cada uma das saídas para controlar individulamente um motor DC, com somente uma direção de rotação. Assim podemos controlar até 4 motores DC.
Podendo também, mesclar o uso, ou seja um motor numa ponte H (dois sentidos de roatação) e dois outros com somente um sentido de rotação.

Controle de Motor de passo,  visite para maiores informações:
http://www.roboticasimples.com/artigos.php?acao=14

L298N Circuito para motor de passo Bipolar

Nos Próximos posts; veremos a parte prática desta teoria, com os testes realizados.

Primeira parte com a Ponte H com Chave, Ponte H com Transistores bipolares NPN e PNP e Ponte H com transistores Darlington.

Segunda parte com o Controle via L298H (Ponte H Dupla).

Terceira Parte controle de Servomotores e Motores de Passo.

Então, até Breve!

Dúvidas e sugestões enviem para: arduinobymyself@gmail.com