Ponte H (H Bridge)

Introdução

Como você viu no item anterior, para excitar os motores de passo bipolares é preciso inverter o sentido em que a corrente elétrica percorre seus enrolamentos. Uma forma de fazer isso é usar o circuito elétrico da figura 1, no qual os quatro interruptores S1 a S4 podem ser ativados independentemente. Este circuito é conhecido como "ponte H" e será necessária uma ponte para cada enrolamento do motor a ser controlado.

Figura 1a	Figura 1b	Figura 1c

Quando todos os interruptores estão abertos, como mostrado na figura 1a, não há corrente no enrolamento, Ativando-se os interruptores S1 e S4, a corrente percorre o enrolamento da esquerda para a direita. Quando S2 e S3 são ativados, o sentido da corrente passa a ser da direita para a esquerda. Note que não se deve ativar S1 e S3 simultaneamente, pois isso gera um caminho direto da corrente entre a alimentação e o terra, criando um curto-circuito. O mesmo se aplica com S2 e S4. Por isso, quando se passa do estado mostrado na figura 1b para o mostrado na figura 1c ou vice-versa, é preciso garantir que um par de interruptores esteja completamente desligado antes de se ativar o seguinte. Isso será visto em mais detalhes quando abordarmos o tópico de tempo morto.

Obviamente não é algo muito prático ficar apertando botões para ativar um motor de passo bipolar. Em lugar de interruptores, usam-se transistores para fazer a comutação da corrente. Na figura 3 temos um exemplo de ponte H usando transistores bipolares.

Figura 3

Quando o terminal Data0 é colocado em nível alto com Data1 em nível baixo, Q1 conduz, levando Q2 e Q3 a conduzir e a corrente circula pelo enrolamento do motor de passo no sentido do terminal 1 para o terminal 2. Quando Data1 é colocado em nível alto com Data0 em nível baixo, Q6 conduz, levando Q4 e Q5 a conduzir e a corrente circula no sentido contrário. Se Data0 e Data1 não podem estar em nível alto simultaneamente, pois ocorre uma situação de curto-circuito.

Os diodos D1 a D4 tem a função de proteger os transistores contra situações de tensão reversa. Não vou entrar em detalhes sobre isso pois foge do tópico deste artigo.

O circuito da figura 3 pode ser ligado diretamente a um controlador no qual o nível lógico alto (1) corresponda a mais de 3V e o nível lógico baixo (0) seja inferior a 1V e é necessário ajustar o valor de R1 e R2 para a tensão do nível lógico alto. 

Os transistores Q2, Q3, Q4 e Q5 devem ser escolhidos para suportar a corrente necessária para a ativação do motor de passo. Para motores pequenos a corrente costuma ser de 500mA por enrolamento. Motores grandes podem ter correntes de 1A ou 2A. Eu escolhi usar para Q2 e Q4 o transistor BD136 e para Q3 e Q5 o BD135, que suportam corrente de até 1,5A. Os transistores BD139 e BD140 podem ser usados no lugar do BD135 e BD136, já que a diferença entre eles é unicamente a tensão máxima em que podem operar.

Os transistores Q2 a Q5 vão funcionar como interruptores, operando em corte para o circuito aberto e em saturação para o circuito fechado. Uma característica desta forma de funcionamento é que a dissipação de calor no transistor é pequena, já que no corte não há corrente e na saturação a resistência é muito baixa, mantendo a dissipação em um mínimo. Portanto, para motores pequenos, dissipadores de calor podem ser dispensados.

Os resistores R1 e R2 limitam a corrente na base dos transistores para que eles atinjam a saturação sem no entanto dispender grande quantidade de energia. Uma vez que a corrente que passa pela base dos transistores não circula pelo enrolamento do motor, quanto menor ela for, mais eficiente será a ponte H.

Da ficha técnica dos transistores BD135 e BD136 temos que o menor valor para o ganho de corrente h_FE é 40 e a corrente máxima suportada por eles é de 1,5A. Portanto, para garantir que os transistores estejam saturados, é preciso que exista uma corrente de base I_b de no mínimo:

Eq 1

Para determinar o valor de R1 e R2, falta saber qual a diferença de tensão a que estão submetidos. A maioria dos circuitos lógicos atuais trabalham com 5V para o nível lógico alto. Assumindo ser este o caso, quando Data0 está em nível lógico alto, será aplicado a base de Q1 uma tensão de 5V. Descontando deste valor a queda de tensão de 0,7V na junção base-emissor de Q1 e a mesma queda 0,7V na junção de Q3, conclui-se que a queda de tensão no resistor R1 deve ser de 3,6V. Da lei de Ohm temos que:

Eq 2

Tomando o valor comercial mais próximo, adotamos R1 e R2 como sendo 100Ω.

Cabe dizer que a corrente que passa pela base de Q3 é maior que a que passa pela base de Q2, já que é o resultado da soma da corrente de coletor de e de base de Q1. Entretanto, se o ganho de Q1 for suficientemente alto, sua corrente I_b será muito pequena com relação à corrente de coletor, podendo ser despresada. 

Resta agora escolher qual transistor usar para Q1 e Q6. Conforme explicado acima, se o ganho de Q1 e Q6 for pequeno, haverá uma diferença indesejável na corrente de base dos transistores de potência. Um ganho h_FE de 100 é suficiente para garantir a que a corrente I_b será suficientemente pequena. Também é desejável que a nossa ponte H seja capaz de lidar com tensões mais altas, permitindo o uso de motores maiores. Para tal, é preciso que a dissipação máxima de Q1 e Q6 sejam as mais altas possíveis.

Um transistor que preenche estes requisitos é o BC337. Da ficha técnica do transistor BC337 encontramos um ganho mínimo de 100 e uma dissipação máxima de 0,625W. Resta agora determinar qual a tensão Vcc que faz Q1 e Q6 dissiparem sua potência máxima quando a corrente de coletor Ic é 0,0375:

Logo temos que nossa ponte H pode funcionar corretamente com a tensão Vcc variando de 5V até 21,6V. Por segurança, vamos limitar o valor máximo de Vcc a 20V. Este limite de tensão na verdade é bastante conservador para a maioria dos casos. Segundo as fichas técnicas, a tensão máxima tanto para os BD135 e BD136 quanto para o BC337 é de 45V. O fator limitante é apenas a dissipação máxima tolerada pelo BC337. No próximo veremos como ajustar a corrente que passa pelo motor usando PWM. Como este processo limita a corrente por toda a ponte, a dissipação de Q1 e Q6 será reduzida, permitindo correntes maiores.

Por outro lado, se fizermos o cálculo ao contrário, fixando a tensão Vcc em 45V na equação 3 para então determinar a corrente de coletor de Q1, vamos encontrar que usando resistores de 220Ω como R1 e R2, a corrente de saturação de Q2 a Q5 passa a ser 654mA. Você pode usar estas equações para determinar o melhor valor de R1 e R2 para uma dada situação, alterando a tensão máxima e obtendo a corrente máxima ou vice-versa.