Conduciendo pequeños motores de corriente continua

Los motores de corriente continua con escobillas se utilizan en todas las industrias, desde la automotriz hasta aplicaciones industriales y productos de consumo. Puedes encontrarlos en limpiaparabrisas, máquinas de coser, taladros, compresores de aire e incluso en coches de juguete. Mientras que algunas aplicaciones más modernas utilizan motores sin escobillas más eficientes y de mayor torque, estos requieren significativamente más software y hardware electrónico para su funcionamiento. Por otro lado, los motores de corriente continua con escobillas son muy baratos y efectivos, y pueden resultar útiles, si no indispensables, en algunos de los productos que fabricas. Si tienes un motor de corriente continua con escobillas relativamente pequeño y quieres hacerlo funcionar en ambas direcciones, hacia adelante y hacia atrás, necesitas un puente en H (H-bridge).

Un puente en H te permite cambiar la polaridad aplicada al motor. Esto te permitirá hacer funcionar el motor en ambas direcciones, hacia adelante o hacia atrás, dejar el motor desconectado de la energía, o cortocircuitarlo para actuar como un freno eléctrico. Aunque puedes encontrar puentes en H totalmente integrados capaces de manejar más de 10 amperios, la mayoría están clasificados para 4 amperios o menos. Los paquetes de circuitos integrados compactos solo permiten cierta disipación de calor, lo que limita la capacidad de corriente para los controladores. Es más común encontrar circuitos integrados controladores de motor que tienen dos salidas para motores en lugar de solo una, y cuatro controladores integrados en un solo paquete también son bastante comunes. Tener múltiples controladores en un solo paquete permite diseños muy compactos en muchas situaciones, ya que la mayoría de los productos industriales, automotrices o de consumo utilizan más de un motor.

Los buenos controladores de puente en H integrados permitirán la limitación de corriente digital o al menos permitirán establecer límites de corriente mediante un resistor. El controlador integrado del controlador utilizará entonces la modulación por ancho de pulso (PWM) para hacer funcionar el motor mientras mantiene la corriente bajo el límite establecido. Esta es una excelente manera de proteger el controlador, el motor, el PCB y potencialmente también la batería de daños. Cuando un motor de corriente continua está bloqueado, es esencialmente un cortocircuito directo, lo que puede llevar a dibujos de corriente muy altos que podrían dañar rápidamente el motor, el controlador o las pistas y conectores que no están diseñados o clasificados para la carga de corriente.

Especificaciones a Considerar

Cuando busques un puente en H, hay varias especificaciones críticas que delimitarán las opciones para tu aplicación.

R_DS(on) - Resistencia Drenador-Fuente en Conducción

La resistencia del FET es una especificación crítica ya que está directamente relacionada con la cantidad de energía perdida como calor en el circuito integrado. Si el paquete no puede eliminar el calor lo suficientemente rápido, el circuito integrado puede entrar en un modo de autoprotección, o liberar su humo mágico. Independientemente de la corriente nominal del dispositivo, el calor es el verdadero limitador. Si tienes un área limitada alrededor del controlador para que el área de cobre actúe como un disipador de calor, necesitarás priorizar la especificación R_DS(on) para que el controlador genere la menor cantidad de calor posible.

R_θJA - Resistencia Térmica del Paquete

Hablando de sobrecalentamiento, la resistencia térmica del paquete es bastante crítica. Muchos controladores tienen una almohadilla expuesta en la parte inferior, incluso los que están en paquetes con plomo, para ayudar a mover el calor lejos de la unión y hacia el cobre en la placa de circuito. La resistencia térmica determinará qué tan rápido puedes eliminar el calor y, junto con la especificación RDS(on) y un área conocida de cobre para la disipación de calor, te permitirá hacer algunos cálculos para determinar si alcanzarás la temperatura máxima de la unión, T_J(max).

V_BB - Voltaje de Suministro del Motor

Esta debería ser una especificación bastante autoexplicativa. Este es el voltaje máximo que se puede suministrar al controlador para hacer funcionar el motor. Esto es diferente al voltaje de control lógico, que es típicamente separado y mucho más bajo. Asegúrate de que el V_BB sea más alto que el voltaje pico de la fuente de alimentación para el motor. Si estás alimentando el motor desde una batería, considera su voltaje completamente cargado/fresco en lugar de su voltaje nominal.

V_IN - Voltaje de Suministro Lógico

Los microcontroladores modernos suelen tener un nivel lógico de 1.8v o 3.3v, pero algunos antiguos pueden estar funcionando a 5v. La mayoría de los controladores estarán contentos con cualquier cosa positiva hasta aproximadamente 6 voltios, sin embargo, algunos son de 3.3v o menos. Probablemente estarás conectando el VIN al mismo riel de voltaje que tu microcontrolador.

I_OUT - Corriente de Salida

La corriente utilizable probablemente estará limitada por la temperatura de la unión más que por la especificación de I_OUT. Sin embargo, si no estás utilizando el motor continuamente, y estás pulsando el motor de manera infrecuente sin permitir que la unión se caliente, el límite de corriente de salida será digno de consideración. Con controladores que pueden establecer la corriente digitalmente o por una resistencia, esta especificación es el máximo que podrás establecer.

Tabla de Verdad

La mayoría de los controladores están contentos de que cortocircuite el motor a través del controlador para actuar como un freno eléctrico, sin embargo, algunos controladores no lo permitirán. Si quieres frenar eléctricamente el motor cortocircuitándolo, revisa la tabla de verdad en la hoja de datos para asegurarte de que configurar ambas entradas en alto (o bajo) frenará el motor. Configurar ambas entradas en bajo (o alto) debería ser entonces un modo de costa con cada conductor del motor desconectado de la alimentación.

Diseño Esquemático

Conducir un puente H integrado es relativamente fácil. El esquemático a continuación es para un Allegro A4954 y proviene de mi controlador de alimentador de doble carril Siemens SMT de código abierto dual lane feeder controller (puedes descargarlo de GitHub para ver su implementación). Hay cierta capacitancia de volumen en las entradas para asegurar que el voltaje se mantenga estable para los otros componentes en el circuito, así como para alimentar al controlador durante las altas demandas del motor cuando está acelerando. También estoy usando potenciómetros para establecer la corriente del motor. Cada línea de entrada tiene una resistencia de 33 ohmios en un intento de proteger el microcontrolador en caso de que un puente H se queme.

También querrás un diodo de protección entre los cables del motor y el controlador, así como un capacitor de desacoplamiento para suprimir los altos voltajes transitorios generados cuando el motor se detiene y para reducir la interferencia electromagnética.

Seleccionar y usar un controlador de motor con escobillas integrado es fácil, pero debes prestar mucha atención a las consideraciones térmicas en tu diseño. La forma más fácil de dañar el controlador, o tener ‘fallos’ intermitentes con el motor, es sobrecalentar el paquete, causando ya sea un fallo directo o un apagado térmico.

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