Introduzione ai ponti H per il controllo dei motori industriali

Convertire una tensione CC unipolare in una tensione alternata ha molti impieghi e il componente chiave alla base di questa strategia è chiamato «ponte H».

 

Che cos’è un circuito a ponte H?

Un circuito a ponte H viene comunemente utilizzato in numerose applicazioni, in particolare nei settori dell’automazione e della robotica. La funzione principale di un ponte H è invertire la polarità della corrente. L’inversione della polarità della corrente trova molti impieghi, tra cui:

• Convertitori da CC a CA
• Convertitori da CA a CA
• Convertitori CC-CC push-pull
• Controller per motori
• Motori passo-passo bipolari
• Inverter
• Azionamenti per motori CC

 

Con una gamma di utilizzi così ampia, conoscere le applicazioni di un circuito a ponte H e i principi di base sul cui funzionamento si fonda può essere utile durante la fase di progettazione.

Il nome «ponte H» deriva dalla forma generale dello schema elettrico di un ponte H. A livello basilare, lo schema di un ponte H comprende il carico da commutare nella sezione orizzontale della «H», circondato da quattro interruttori sui montanti verticali della «H» (vedere il diagramma).

 

Figura 1. Un ponte H di base per creare un azionamento reversibile per motori CC. Immagine utilizzata per gentile concessione dell’autore

 

In un ponte H di base come quello mostrato sopra, il carico può ricevere una corrente con polarità diversa utilizzando gli interruttori del circuito. Seguendo la numerazione riportata nello schema, vediamo che quando S1 e S4 sono entrambi chiusi, il motore ruota in una direzione. Quando S2 e S3 sono chiusi, il motore ruota nella direzione opposta.

Per il modo in cui è progettato, non è mai consentito chiudere contemporaneamente né la coppia S1/S2 né la coppia S3/S4. Se entrambi gli interruttori sullo stesso lato della H (ad esempio S1 e S2) fossero chiusi insieme, si creerebbe un cortocircuito diretto ai capi dell’alimentazione, con il rischio di danneggiare il circuito o causare guasti.

 

Come funziona un ponte H?

In sostanza, un ponte H funziona chiudendo selettivamente due dei quattro interruttori per controllare la direzione della tensione ai capi del carico. Ecco una rapida panoramica di un possibile scenario di movimento del ponte H mostrato nella Figura 1 precedente:

Movimento in avanti: chiudere S1 e S4.

Movimento inverso: chiudere S2 e S3.

Frenatura: chiudere contemporaneamente S1 e S3 oppure S2 e S4 (in questo modo i terminali del motore vengono cortocircuitati tra loro, causando una frenata rapida).

Rilascio: aprire tutti gli interruttori, consentendo al motore di arrestarsi naturalmente per inerzia senza frenatura attiva.

Nelle applicazioni reali, questi interruttori non sono mai interruttori meccanici come mostra il diagramma. Sono invece transistor, come MOSFET o BJT, in grado di commutare rapidamente tra acceso e spento. L’uso di questi interruttori a stato solido consente un controllo più preciso, velocità di commutazione maggiori e integrazione con microcontrollori o circuiti di controllo.

 

Impieghi comuni dei ponti H

I ponti H si trovano in un’ampia gamma di applicazioni, dalla piccola elettronica ai controller industriali per motori.

 

Controllo dei motori CC

Nella robotica e nell’automazione, i motori CC svolgono un ruolo fondamentale nelle funzionalità dei sistemi di controllo. Offrono un movimento economico e semplice e sono ampiamente utilizzati in applicazioni che vanno dai bracci robotici ai sistemi a nastro trasportatore. I circuiti a ponte H consentono ai motori CC di cambiare direzione e offrono funzioni di frenatura o di rilascio del motore. Regolando il modo in cui funzionano gli interruttori, un controller può gestire facilmente il comportamento del motore.

 

Figura 2. Questo controller della velocità di un motore CC utilizza quattro MOSFET di grandi dimensioni (al centro, nella parte inferiore del PCB). Immagine utilizzata per gentile concessione di Control.com

 

La velocità del motore varia regolando il ciclo di lavoro della tensione applicata al motore. Questa tecnica, spesso chiamata controllo PWM del motore, è essenziale nelle applicazioni in cui è richiesta una regolazione precisa della velocità. Robotica, droni, macchinari elettrici e molte altre applicazioni traggono vantaggio dalla potenza e dalla flessibilità dei circuiti di controllo dei motori basati su ponti H.

 

Inverter di potenza

La maggior parte degli inverter di potenza moderni utilizza una qualche forma di ponte H per convertire la corrente CC in CA. Il ponte H commuta la corrente CC alla frequenza dell’uscita desiderata (solitamente 50/60 Hz).

La commutazione della polarità tramite un ponte H crea di fatto una potenza CA, sebbene la forma d’onda risultante sia quadra anziché sinusoidale come quella della tradizionale rete elettrica in CA. Per ottenere un’uscita sinusoidale più pura, si utilizzano ulteriori stadi di filtraggio insieme a tecniche di modulazione della larghezza degli impulsi (PWM).

 

Figura 3. Un ponte H di base che utilizza MOSFET per convertire la corrente CC in CA. Immagine (modificata) utilizzata per gentile concessione di Texas Instruments

 

Gli inverter vengono utilizzati nei sistemi di energia rinnovabile (come pannelli solari e turbine eoliche), nei gruppi di continuità e nei veicoli elettrici, che fanno tutti affidamento sui circuiti a ponte H.

 

Convertitori da CA a CA

I ponti H possono essere utilizzati anche per la conversione da CA a CA, trasformando la potenza CA in una forma diversa di potenza CA. Una delle applicazioni più comuni di questo tipo di convertitore è rappresentata dagli azionamenti a frequenza variabile (VFD). Un VFD viene utilizzato per controllare la velocità del motore modificando la frequenza della potenza CA fornita al motore. In genere, la potenza CA in ingresso viene prima raddrizzata in CC, quindi passa attraverso un ponte H che impulsa nuovamente la potenza CC trasformandola in CA alla frequenza desiderata, se abbinato a carichi induttivi appropriati.

Il ponte H può essere controllato mediante la modulazione della larghezza degli impulsi (PWM) per produrre una forma d’onda di uscita che approssima da vicino un’onda sinusoidale. Controllando la frequenza di uscita, è possibile regolare con precisione la velocità del motore, consentendo notevoli risparmi energetici e un migliore controllo dei processi nei sistemi industriali. Inoltre, permette un controllo più preciso del motore nei processi automatizzati.

 

Convertitori da CC a CC

I circuiti a ponte H possono essere utilizzati anche in alcuni tipi di convertitori da CC a CC, dispositivi comuni per aumentare o ridurre in modo efficiente i livelli di tensione CC. In queste applicazioni, il ponte H, talvolta chiamato convertitore a ponte intero, commuta rapidamente la corrente attraverso un trasformatore alternando la direzione del flusso di corrente nell’avvolgimento primario. Questa eccitazione bidirezionale magnetizza il nucleo del trasformatore in entrambe le direzioni, contribuendo a prevenire la saturazione del nucleo e migliorando al contempo l’efficienza.

 

Figura 4. Un circuito di conversione CC-CC a ponte intero che sfrutta un ponte H pilotato da MOSFET (da Q1 a Q4). Immagine utilizzata per gentile concessione di Texas Instruments

 

Dopo il passaggio attraverso il trasformatore, la tensione risultante viene raddrizzata e filtrata per produrre un’uscita CC stabile. Questo approccio è comune in sistemi come apparecchiature per telecomunicazioni, dispositivi alimentati a batteria e sistemi di controllo industriale, nei quali sono essenziali sia l’efficienza energetica sia l’isolamento. L’uso di un ponte H in questi convertitori consente il funzionamento ad alta frequenza e una gestione affidabile di livelli di potenza maggiori.

 

Conclusione

Il ponte H è un circuito fondamentale nel mondo dell’elettronica, dell’automazione e della robotica. Consentendo un controllo preciso della direzione della corrente e, di conseguenza, della rotazione del motore, i ponti H aprono un’ampia gamma di possibilità per i sistemi di controllo. Dal semplice controllo di motori CC ai complessi azionamenti a frequenza variabile, fino agli inverter ad alte prestazioni, i principi del ponte H rimangono gli stessi.

Comprendere il funzionamento dei ponti H, i loro impieghi tipici e gli aspetti di progettazione è una competenza preziosa per chiunque lavori nel campo dell’elettronica, dei sistemi embedded o della meccatronica. Che si stia costruendo un piccolo robot o progettando un controller industriale per motori, è probabile che il ponte H faccia parte del progetto.