Ponte H: sentido de rotação e recirculação

Uma ponte H tem dois braços conectados entre o barramento positivo +V e a referência 0 V. O motor fica entre os pontos centrais dos braços: terminal A à esquerda e terminal B à direita.

Adotaremos esta convenção fixa:

• Braço A: Q1 é a chave superior; Q2, a inferior.
• Braço B: Q3 é a chave superior; Q4, a inferior.
• Cada chave tem seu diodo em antiparalelo: D1 a D4, respectivamente.

Manter os mesmos nomes evita ambiguidades ao analisar a corrente nos próximos estados da ponte.

Neste tutorial, a tensão do motor é sempre medida de A em relação a B:

v_AB = v_A − v_B

Assim, v_AB é positiva quando o ponto A está em tensão maior que B; é negativa quando A está em tensão menor que B. Essa convenção descreve a polaridade elétrica aplicada ao motor, sem atribuir antecipadamente “horário” ou “anti-horário”: o sentido mecânico depende de como os fios do motor foram conectados.

Também fixaremos a referência positiva de corrente i_M de A para B. Uma corrente real no outro sentido será representada por i_M negativa.

No modelo ideal usado aqui, cada chave pode conduzir quando habilitada. Os diodos continuam presentes mesmo quando suas chaves não estão conduzindo.

A orientação importa:

• Os diodos superiores, D1 e D3, permitem corrente dos pontos centrais para o barramento +V.
• Os diodos inferiores, D2 e D4, permitem corrente da referência 0 V para os pontos centrais.

Essas direções serão a base para traçar caminhos de corrente mais adiante. Por enquanto, observe apenas a estrutura e não tente escolher combinações de chaves.

Duas diagonais, duas polaridades

Considere a ponte H já nomeada: Q1 e Q2 no braço A; Q3 e Q4 no braço B. O motor está entre A e B, com v_AB = v_A − v_B.

Para acionar o motor, ligue uma chave superior de um braço e uma chave inferior do outro: uma diagonal. No modelo ideal, isso conecta os terminais do motor a trilhos opostos da alimentação.

A diagonal não tem um sentido mecânico universal chamado “horário”. Ela define uma polaridade entre A e B. O sentido físico da rotação depende de como os fios do motor foram conectados aos terminais A e B.

Leia o caminho antes de nomear o giro

Com Q1–Q4 ligados, o percurso de alimentação, no modelo ideal, é:

+V → Q1 → A → motor → B → Q4 → 0 V

Logo, v_AB é positiva. Considerando a corrente no sentido da polaridade aplicada, ela percorre o motor de A para B, que é a referência positiva definida anteriormente.

Para uma conexão fixa do motor, essa polaridade produz um dos sentidos de acionamento. Qual será chamado de horário depende de qual terminal físico do motor foi ligado a A.

A diagonal oposta inverte a polaridade

Com Q3–Q2 ligados, o percurso de alimentação passa a ser:

+V → Q3 → B → motor → A → Q2 → 0 V

Agora B está no potencial positivo e A em 0 V. Portanto, v_AB = v_A − v_B é negativa. No sentido da polaridade aplicada, a corrente no motor segue de B para A.

As diagonais aplicam polaridades opostas e, para a mesma conexão do motor, correspondem a sentidos de acionamento opostos.

Além das diagonais de acionamento, a ponte H tem estados em que os dois terminais do motor ficam no mesmo potencial ou ficam sem canal de chave habilitado. Neste step, considere chaves ideais e mantenha a convenção: v_AB = v_A − v_B.

Se A e B estão no mesmo trilho, então v_AB = 0 V no modelo ideal. Isso descreve a tensão entre os terminais; não significa que os trilhos positivo e 0 V foram unidos entre si.

Com Q2 e Q4 ligados, ambos os terminais são conectados ao trilho de 0 V. Com Q1 e Q3 ligados, ambos são conectados ao trilho positivo. Em ambos os casos, o motor está com os terminais unidos pelo mesmo trilho — não há caminho comandado que una diretamente +V a 0 V.

Já com as quatro chaves desligadas, os canais estão desabilitados. Os diodos em antiparalelo continuam fisicamente no circuito; por isso, não conclua que v_AB será necessariamente 0 V.

Considere que a ponte vinha acionando o motor com Q1 e Q4 ligados e que a corrente de referência era positiva, de A para B. Ao desligar Q1 e manter Q4 ligado, a corrente do enrolamento não pode cair a zero instantaneamente.

No primeiro instante, ela ainda tende a sair por A, atravessar o motor até B e seguir no mesmo sentido. O acionamento pela fonte foi retirado; o que muda é o caminho disponível para fechar o laço.

Outra forma de disponibilizar o mesmo laço inferior é comandar Q2 e Q4 ligados. Idealmente, A e B ficam no potencial de 0 V.

Isso descreve o estado comandado, mas não identifica sozinho qual componente conduz naquele instante. Se a corrente ainda é positiva, A → B, ela entra em B, passa por Q4 até o trilho inferior e precisa retornar desse trilho para A. Em um MOSFET ligado que permite condução reversa pelo canal, Q2 pode conduzir esse trecho de retorno.

Mesmo quando Q2 e Q4 deixam A e B idealmente no mesmo potencial, a corrente do motor não se anula instantaneamente. Sua evolução depende da indutância do enrolamento, da força contraeletromotriz, da resistência e das quedas de tensão do percurso.

Neste estado local, o ponto essencial é que a corrente encontra um laço pelo trilho inferior, sem usar o barramento positivo.

Quando todas as quatro chaves são desligadas, os canais da ponte ficam desabilitados, mas os diodos em antiparalelo continuam disponíveis.

Considere a corrente que existia imediatamente antes do desligamento como positiva: ela atravessa o motor de A para B. A indutância do enrolamento se opõe a uma mudança instantânea dessa corrente. Assim, ela continua inicialmente de A para B e força a condução de um novo laço:

A → motor → B → D3 → barramento positivo → capacitor do barramento → 0 V → D2 → A.

D3 conecta o ponto B ao trilho positivo; D2 conecta o trilho de 0 V ao ponto A. Esse é um percurso de retorno pelo barramento, não uma recirculação local pelo trilho inferior.

No laço anterior, D2 prende A próximo de 0 V e D3 prende B próximo do barramento positivo. Portanto, idealmente, v_AB = v_A − v_B é negativa, embora a corrente residual ainda seja positiva de A para B.

Isso é esperado: durante a devolução, a polaridade no motor se opõe à corrente que o enrolamento tenta manter. Tensão e corrente, portanto, não precisam ter o mesmo sinal nesse intervalo.

PWM na ponte H: dois estados por ciclo

Aqui, PWM não significa apenas “ligar e desligar o motor”. Em cada período, a ponte alterna entre:

1. um estado de acionamento, que aplica uma polaridade ao motor; e
2. um estado do intervalo desligado, que define por onde a corrente do enrolamento continua.

Considere a corrente inicialmente positiva, de A para B. No intervalo ligado, Q1 e Q4 conduzem: a tensão é positiva, \(v_{AB}>0\), e a corrente pode crescer.

Ao terminar esse intervalo, a corrente não cai a zero instantaneamente. O estado escolhido para o intervalo desligado determina se ela recircula localmente ou retorna ao barramento.

Duas escolhas para o intervalo desligado

A tabela abaixo usa uma convenção didática de estados ideais. Ela descreve as saídas da ponte, não os pinos nem a tabela de entradas de um componente comercial.

Parta, nos dois casos, de corrente positiva de A para B ao fim do intervalo de acionamento Q1–Q4.

Corrente e tensão nos dois casos

Com os terminais unidos pelo trilho inferior, \(v_{AB}\) é idealmente zero. A corrente residual de A para B encontra um laço local e tende a decair. Ela não zera só porque os terminais foram unidos.

Com todas as chaves desligadas, a mesma corrente inicialmente passa por D3 a partir de B, retorna pelo barramento e pelo capacitor e passa por D2 para voltar a A. Enquanto esses diodos conduzem, a polaridade de \(v_{AB}\) se opõe à corrente residual; por isso a corrente tende a decair de outra forma.

Quando a corrente chega a zero, ela não continua automaticamente pelos diodos no mesmo sentido. O percurso precisa ser reavaliado a partir do novo estado elétrico.

Um PWM usa Q1–Q4 no intervalo ligado. Ao entrar no intervalo desligado, a tabela informa que Q2 e Q4 ficam habilitados. Considerando que a corrente ainda era positiva, de A para B, selecione a interpretação compatível com esse intervalo.

Parar um motor não é um único estado elétrico. Para analisar o que ocorre, separe duas perguntas:

1. Por onde a corrente pode circular agora?
2. Para onde vai a energia predominante?

A corrente do enrolamento não some no instante em que o comando muda. Já a energia mecânica do rotor só pode sustentar uma corrente se o motor estiver gerando e houver um caminho elétrico disponível.

Com as chaves desabilitadas, a ponte fica em alta impedância. Logo após desligar, ainda pode haver um breve percurso pelos diodos por causa da corrente indutiva residual; isso é um transitório elétrico.

Depois que essa corrente se anula, se a força contraeletromotriz do motor não for suficiente para polarizar um caminho pelos diodos, não há corrente relevante. O rotor então desacelera predominantemente pelo atrito e pela carga mecânica: é a parada livre.

Portanto, alta impedância não significa que a corrente zera instantaneamente, mas pode resultar em giro livre após o transitório.

Na frenagem dinâmica, os terminais do motor são unidos pelo mesmo trilho, por exemplo com Q2 e Q4 habilitados no modelo ideal. Um motor que ainda gira atua como gerador: sua força contraeletromotriz pode manter uma corrente em um laço local.

A energia mecânica do rotor é convertida em energia elétrica e dissipada principalmente na resistência do enrolamento e nas quedas do percurso condutor. Essa corrente produz efeito de frenagem, mas não implica parada instantânea.

Ao selecionar esse estado, a corrente que já existia também respeita a continuidade: primeiro ocorre o transitório elétrico; depois, se o rotor ainda gerar tensão suficiente, pode permanecer a corrente de frenagem.

A devolução de energia durante a frenagem requer mais do que o motor estar girando. É preciso que ele gere uma tensão e uma corrente compatíveis com um caminho de retorno ao barramento.

Nessa condição, parte da energia mecânica do rotor pode chegar ao capacitor e à alimentação. Isso é diferente do retorno breve da energia magnética do enrolamento logo após uma comutação.

Nem toda parada devolve energia, e nem toda corrente que alcança o barramento representa regeneração sustentada. Devolver energia também não garante que a fonte consiga absorvê-la; esse efeito sobre a alimentação será analisado no próximo step.

Quando o motor devolve corrente ao barramento, essa energia precisa ter um destino. Ela pode ser consumida por outras cargas, absorvida por uma fonte capaz de receber corrente reversa ou, por um tempo, armazenada no capacitor do barramento.

Se a energia recebida for maior que a energia absorvida e consumida, o capacitor carrega e a tensão do barramento sobe. Isso pode ocorrer mesmo que a ponte e o motor estejam dentro de suas correntes nominais.

Uma ponte H devolve corrente a um barramento que tem capacitor e uma fonte sem capacidade documentada de absorver corrente reversa. Qual conclusão é correta?

Ao analisar uma situação de retorno de energia, siga esta pergunta: a energia que entra no barramento tem um destino documentado?

Sem essa garantia, considere que o capacitor pode elevar sua tensão até que o retorno cesse ou algum limite seja atingido. Não conclua que a fonte absorve energia apenas porque ela alimenta o circuito ou possui limitação de corrente.

Use esta sequência para analisar qualquer trecho da ponte H:

1. Identifique o estado comandado das chaves.
2. Considere a corrente que já existe no enrolamento; ela não muda instantaneamente.
3. Trace o caminho disponível para essa corrente: canal de MOSFET, diodo ou barramento.
4. Determine o destino da energia: alimentação do motor, perdas no laço local ou retorno ao barramento.

Caso integrado: uma ponte H ideal é alimentada em 5 V. O motor está entre A e B. Antes do intervalo analisado, Q1 e Q4 estavam ligados e a corrente no motor é positiva, de A para B.

Não confunda o instante elétrico com a frenagem mecânica. Logo após trocar de Q1–Q4 para Q2–Q4, a corrente que já era positiva encontra um laço local. Isso, por si só, não comprova torque de frenagem.

Se esse estado for mantido e o rotor ainda girar, o motor poderá gerar uma corrente apropriada nesse laço; então há frenagem dinâmica, com energia mecânica dissipada no enrolamento e no percurso condutor. Já com todas as chaves desligadas, a corrente residual inicial segue por D3, pelo barramento e pelo capacitor até 0 V, retornando por D2.

A diagonal Q3–Q2 aplica polaridade oposta como estado estático. Ela não deve ser lida como uma inversão instantânea da corrente inicial A → B; a comutação segura para reversão será o tema do próximo tutorial.