6 alternativas de como controlar motores com a Ponte H

O controle de motores é algo muito desejável, haja visto que os mesmos dão “vida” à nossa aplicação em determinados projetos com os quais nos deparamos ou pretendemos desenvolver. Nesse artigo vamos apresentar seis maneiras de você fazer isso através de uma estrutura conhecida como Ponte H.

Para uma melhor compreensão do que será apresentado neste artigo, relaciono abaixo os tópicos de como o mesmo será dividido:

O circuito elementar

Ponte H com transistor TBJ

Ponte H com TIP

Ponte H com L293D

Ponte H com L298N

Ponte H com Relé

Ponte H com Shield

Prática

O Circuito elementar

A ponte H é basicamente um circuito eletrônico que permite o controle de motores DC, e motores de passo dependendo dos componentes envolvidos. Este controle permite direcionarmos o motor para um determinado sentido de rotação, horário ou anti-horário. O nome Ponte H, advém da forma elementar que a mesma é constituída, veja na figura abaixo:

Observe que nesta forma elementar, possuímos 4 chaves: S1, S2, S3 e S4. Para cada par de fechamento de chaves, S1 e S4 ou S2 e S3, o motor irá girar em um determinado sentido, horário ou anti-horário. Veja também que neste circuito, temos uma condição proibida de ligação, que seriam, duas chaves de um mesmo lado, o que ocasionaria um curto circuito.

Vamos ver agora algumas configurações que podemos utilizar com diferentes componentes eletrônicos para construir o nosso circuito. Nos próximos parágrafos vamos conhecer diferentes estruturas que podemos utilizar, e por fim faremos o devido teste prático de cada uma delas. Antes abaixo, você poderá visualizar o funcionamento fundamental de fechamento das chaves.

Ponte H com transistor TBJ

Lembrando das explicações anteriores com chaves, e observando o circuito acima, para um determinado sentido, devemos ter o transistor Q1 e Q4 em saturação. Ou seja, devido a configuração utilizar transistores do tipo NPN e PNP, essa condição será satisfeita se não tivermos nenhum sinal na Entrada 1, e termos um sinal na Entrada 2. Para o outro sentido, o mesmo ocorre de maneira inversa. Veja a tabela a seguir:

As figuras a seguir exemplificam de maneira mais clara, a condução que passa pelo motor de acordo com as duas condições anteriores.

No datasheet dos componentes eletrônicos, temos várias informações relevantes. Um detalhe interessante de citarmos é o gráfico do Ganho pela Corrente Ic. Veja na figura abaixo, o gráfico retirado da documentação do transistor BC548.

Observe que o ganho diminui com o aumento da corrente de coletor (Ic). Por isso você deve atentar a estes parâmetros relacionando-os com a corrente que você necessitará para alimentar o seu motor.

Nos testes práticos que iremos fazer com cada circuito, utilizarei um motor com um consumo na faixa de 200mA a 300mA. Pelo gráfico, podemos observar que para essa faixa, o ganho do nosso circuito será bem menor o valor de 100, que é o valor para correntes de coletor mais baixas.

Devido as características elétricas dos transistores utilizados, bem como valores máximos possíveis, e até a questão da temperatura, por estarmos trabalhando com o componente em seu limite ou mesmo acima disso, serial ideal trabalharmos com componentes que permitissem uma folga maior. Você poderia por exemplo, utilizar os transistores complementares, BC337 e BC327. O circuito ficaria da seguinte forma:

Deixarei a seu cargo que faça o download do datasheet, conferindo as características elétricas destes componentes, e faça um breve comparativo com os que utilizamos anteriormente. Lá no final, quando efetuarmos o teste prático de todos os circuitos, você vai ver a diferença.

Ponte H com TIP

Nesse circuito, estaremos agora utilizando componentes conhecidos como transistores Darlington. A estrutura Darlington é basicamente formada por um arranjo de dois transistores que são combinados para proporcionar um ganho ainda maior. Observe na figura abaixo, que foi retirada do próprio datasheet do TIP122, que é um dos componentes utilizados nesse circuito proposto:

O ganho que temos neste tipo de circuito, é basicamente a multiplicação do ganho do transistor 1, pelo transistor 2. Ou seja, apenas para fins de exemplo, supondo que cada transistor tenha um ganho de 100, teríamos um ganho total de 10000 (100×100). No nosso caso, isso nos oferece um componente muito interessante para se trabalhar com a alimentação dos motores, já que oferece características mais robustas.

Caso você deseje utilizar esta configuração, você pode utilizar componentes que já possuem essa estrutura pronta no seu encapsulamento, como os TIP. Utilizaremos aqui, o TIP122 e o TIP127.

Esses componente possui um encapsulamento do tipo TO-220, onde a própria estrutura física já auxilia na dissipação de calor, além de já ter um furo onde você pode utilizar para agregar um dissipador de calor externo caso trabalhe com correntes mais elevadas. Agora, veja na figura abaixo um típico gráfico do Ganho vs Corrente de coletor do TIP 122.

Observe que temos um ganho elevado mesmo com uma corrente de coletor maior, a qual no gráfico está na escala de A e não mA, em comparação com o gráfico anterior do BC548 do primeiro circuito. A moral da história, é que como o TIP possui um ganho maior, conseguirá controlar o motor com uma menor corrente de base, e proporcionará a possibilidade do nosso motor consumir uma corrente maior, como veremos depois nos testes práticos.

Ponte H com L293D

Outro componente muito versátil é o CI L293D. Resumindo, este componente já possui em seu encapsulamento o circuito Ponte H. O arranjo da sua estrutura permite que você possa ligar mais de um motor. Alguns parâmetros que você deve atentar-se é que ele trabalha com tensões de 4,5 V a 36 V, e corrente de 600mA. Portanto fique alerta com o motor que você irá ligar nele, no que se refere a tensão e corrente suportada, e sempre é bom estar atento a questão da temperatura também. Na figura abaixo podemos visualizar o esquema dos terminais do componente:

Na figura abaixo, você tem o diagrama lógico do L293D.

Observe que, no primeiro arranjo temos um pino 1,2EN que habilita o canal dos pinos 1A e 2A, e portanto estão relacionados as saídas conectadas ao nosso motor, 1Y e 2Y. O segundo arranjo, trabalha de forma semelhante, onde temo o pino 3,4EN que habilita o canal dos pinos 3A e 4A, controlando as saídas 3Y e 4Y. A tabela a seguir esclarece ainda mais a relação da entrada com a saída:

Ou seja, quando o pino EN – Enable, está ativado, e conforme os valores nos canais de entrada, a nossa saída fará com que o motor gire no sentido horário, anti-horário, ou fique parado.

Vamos então considerar um canal para ligarmos o nosso motor nele. O circuito ficará da seguinte forma:

Considerando o pino EN habilitado (5 V), quando tivermos uma combinação de determinados valores nas nossas entradas, o motor poderá girar em sentido horário ou anti-horário. Veremos o funcionamento do circuito mais adiante.

Ponte H com L298N

O CI L298 é um componente que vai na mesma balada que o L293D. No entanto o L298N é um componente mais robusto, trabalhando com tensões de até 46 V e suportando correntes de até 2 A por canal. Também opera com os níveis lógicos, tendo ainda pinos de ENABLE de forma semelhante ao L293D, o qual já comentamos. Veja na figura abaixo o diagrama e uma imagem do componente L298:

No diagrama os pinos 1 e 15, denominados como Current Sensing A e Current Sensing B, possibilitam a conexão de resistores onde podemos medir a corrente naquele determinado ponto. Na montagem do circuito iremos suprimir estes resistores, ligando os pontos direto ao GND. Nosso circuito ficará da seguinte forma:

Como podemos ver no diagrama, a nomenclatura dos terminais evidencia que o funcionamento é muito simples e segue a lógica de acionamento da ponte H que já estudamos até aqui. Analisando um dos canais, temos portanto um terminal EnA que habilita o referido canal, e duas entradas In1 e In2, que de acordo com o valores nas mesmas, teremos o controle da direção do motor na nossa saída, os quais são os pinos OUT1 e OUT2. A mesma análise é semelhante para o outro canal.

Portanto as condições em que teremos o giro do nosso motor será conforme a tabela abaixo:

Cabe mencionar algo que não foi comentado anteriormente, é que você pode inclusive não fazer somente o controle do sentido da rotação do motor, mas também efetuar um controle de velocidade do mesmo utilizando a técnica de PWM (Pulse Width Modulation). Não irei entrar no mérito da questão neste artigo, mas apenas resolvi citar para fins informativos caso seja seu desejo efetuar também este controle de velocidade.

Por fim, como informação relevante para o circuito anterior utilizando este circuito integrado, atente apenas, que caso você deseje utilizar motores com maior corrente, verifique os diodos de proteção que suportem a mesma.

Ponte H com Relé

Outra alternativa, é você fazer uma ponte H utilizando transistores e relés. A lógica é semelhante e mudam apenas os componentes. Veja como ficaria nosso esquema:

Quando acionado uma das entradas, iremos polarizar o transistor, o qual acionará o relé e o motor irá girar em um sentido. Caso a outra entrada seja acionada, o motor gira no sentido oposto, de forma semelhante aos outros circuitos que já vimos até aqui.

Ponte H com Shield

Caso queira adquirir uma ponte H já pronta, também há variados modelos de Shields no comércio em geral. Vou mostrar uma delas abaixo que tenho disponível para efetuarmos os testes posteriormente. Podem haver alguma mudanças de um shield para outro, mas nada muito significativo.

O shield que possuo disponível é o da figura abaixo:

Esse shield é baseado no L298N, portanto o funcionamento é o mesmo que já citamos anteriormente quando tratamos do componente em questão. Ele já vem com um pequeno dissipador de calor, e bornes de conexão para dois motores. Possui ainda os bornes de alimentação dos motores e os terminais de controle e entradas relacionadas a cada canal específico.

Haja visto que já falamos sobre o L298N, não há necessidade de repetirmos aqui, já que é o mesmo circuito integrado que o shield contempla. Para efetuar uma conexão de um motor, você pode fazer da seguinte maneira:

Prática

Todos os esquemas anteriores envolveram o componente logic state (0 e 1) para efetuar as simulações no simulador Proteus, e estão relacionadas com as entradas do nosso circuito de controle, onde temos nível lógico baixo (0) e nível lógico alto (1). Na parte prática, você pode substituir este componente por um simples botão com um resistor de pull-down ou pull-up. Veja na figura abaixo um exemplo de utilização, baseado nessa abstração:

Outra alternativa é você utilizar um microcontrolador e desenvolver um programa para controlar o seu motor. Se você quiser utilizar a plataforma Arduino para fazer isso, você pode empregar o código abaixo:

Apenas preste atenção nas conexões envolvendo os pinos do Arduino com o circuito e o motor utilizado, e faça as alterações necessárias na configuração do programa. Para a alimentação do motor, sempre utilize uma fonte externa.

O vídeo abaixo finaliza nosso artigo, mostrando o teste prático de todos os circuitos que foram comentados até aqui. Um abraço e até a próxima!