Circuit H-bridge

Qu’est-ce qu’un Circuit de Pont en H

Les moteurs à courant continu sont des dispositifs puissants que nous pouvons utiliser dans de nombreuses applications et projets différents, il n’est donc pas surprenant que des circuits spéciaux soient nécessaires pour faire fonctionner un moteur à courant continu. Un circuit de pont en H est une configuration simple de conducteur de moteur à courant continu qui nous permet de contrôler à la fois la vitesse de rotation et la direction de tels moteurs électriques en utilisant une tension continue fixe ou par modulation de largeur d’impulsion (PWM).

En plus de faire clignoter des lumières, l’une des choses les plus intéressantes que vous pouvez faire avec des circuits électroniques est de faire bouger des objets, en particulier des drones et des robots, et le moyen le plus populaire de faire bouger des objets est d’utiliser des moteurs électriques.

Un moteur à courant continu typique

Il existe de nombreux types de moteurs électriques disponibles pour les amateurs d’électronique ou les makers, les deux principaux types étant le moteur à courant continu à aimant permanent et le moteur pas à pas à quatre (ou plus) bobines de champ. Des moteurs servo à aimant permanent sont également disponibles.

Un moteur à courant continu typique a l’avantage d’être peu coûteux et simple, ce qui les rend idéaux pour une utilisation dans de nombreux types de circuits électroniques.

Les petits moteurs à courant continu (inférieurs à 12V) sont généralement des moteurs à courant continu à aimant permanent (PMDC), c’est-à-dire que leur champ magnétique interne constant est créé à l’aide d’aimants permanents.

Supposons maintenant que nous avons un moteur PMDC sans balais connecté à une batterie (source DC) via un interrupteur à bouton-poussoir (contrôle). En faisant fonctionner l’interrupteur mécanique, soit en position On, soit en position Off, nous pouvons contrôler le fonctionnement et donc la vitesse de rotation du moteur à courant continu, comme illustré.

Contrôle Simple d’un Moteur à Courant Continu

Lorsque l’interrupteur à bouton-poussoir est fermé, l’énergie électrique est fournie par la batterie au moteur et lorsque l’interrupteur est ouvert, la batterie est déconnectée. Ainsi, en faisant fonctionner l’interrupteur de manière répétée et en variant le rapport temps ON (fermé) à temps OFF (ouvert), nous pouvons varier efficacement la tension appliquée au moteur entre 0V (interrupteur ouvert) et 6V (interrupteur fermé).

Bien que fonctionnel, l’inconvénient ici est que le moteur à courant continu dans cet exemple simple On/Off ne tournera que dans une seule direction. Cependant, si nous inversions la polarité de la batterie, nous pourrions faire tourner le moteur dans l’autre direction.

Mais que se passerait-il si nous voulions faire tourner le moteur à courant continu dans différentes directions et à différentes vitesses sans avoir à appuyer manuellement sur un bouton ou à inverser les connexions de la batterie ? Clairement, l’utilisation d’un interrupteur mécanique (ou de contacts de relais) n’est pas adaptée si nous voulons contrôler à la fois la durée On/Off et la vitesse du moteur à courant continu. C’est là qu’intervient le circuit de pont en H.

Contrôle Bidirectionnel du Moteur avec un Pont en H

Nous avons dit précédemment que si nous voulons changer la direction de rotation de notre moteur à courant continu, il suffit de changer la polarité de l’alimentation de la batterie. Une façon de le faire est d’utiliser un circuit de pont en H qui permet à un moteur à courant continu de tourner dans les deux sens, en avant ou en arrière.

Cela est réalisé en utilisant une configuration d’interrupteurs qui permet à la tension fixe de la batterie DC d’être appliquée sur le moteur dans les deux directions. C’est-à-dire qu’un circuit de pont en H permet le contrôle bidirectionnel des moteurs à courant continu à partir d’une source de tension fixe.

Le circuit de pont en H (ou circuit en pont complet) est ainsi nommé car la configuration de base de quatre éléments de commutation, utilisant soit des interrupteurs électromécaniques, soit des relais, soit des dispositifs à état solide (généralement des BJT ou des MOSFET), ressemble à celle de la lettre “H” lorsque le circuit est dessiné avec le moteur positionné sur la barre centrale.

Cette configuration en forme de H est un moyen simple et efficace de faire fonctionner n’importe quel moteur à courant continu dans n’importe quelle direction. Considérons la configuration de base du pont “H” ci-dessous.

Topologie de Contrôle de Moteur avec Pont en H

Nous pouvons utiliser cette configuration de pont en H d’interrupteurs pour contrôler le moteur, en mettant les éléments de commutation “ON” ou “OFF” par paires qui sont diagonalement opposés les uns aux autres.

Par exemple, si les interrupteurs S1 et S4 sont tous deux fermés avec S2 et S3 ouverts, le courant électrique circulera à travers le moteur à courant continu de gauche à droite (ligne orange) dans une direction.

Maintenant, en ouvrant S1 et S4 et en fermant les interrupteurs S2 et S3, le courant circulera à travers le moteur dans la direction opposée, de droite à gauche (ligne bleue), inversant ainsi la direction du moteur.

Ainsi, pour contrôler la direction de rotation du moteur, les interrupteurs diagonalement opposés sont fermés, laissant les deux autres interrupteurs ouverts. Cependant, comme chacun des quatre interrupteurs peut être soit ouvert, soit fermé, il y a 16 (2⁴) combinaisons possibles de réglages d’interrupteur. Il est important de veiller à ne pas fermer les interrupteurs d’un côté du pont en même temps.

Par exemple, si les interrupteurs S1 et S3 (ou S2 et S4) étaient tous deux fermés en même temps, cela court-circuiterait l’alimentation, entraînant un fort courant à travers les interrupteurs de +VDC à la terre. Ce n’est pas ce que nous voulons.

Les simples interrupteurs mécaniques du précédent circuit de pont en H peuvent être remplacés par des dispositifs de commutation de puissance à état solide, tels que des transistors à jonction bipolaire (BJT), des transistors à effet de champ en oxyde métallique (MOSFET) ou des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT), nous permettant d’avoir plus de contrôle sur le fonctionnement des éléments de commutation de puissance.

Circuit de Pont en H Utilisant des Transistors Bipolaires

Nous avons vu que la configuration du pont en H est une solution efficace pour réaliser un fonctionnement bidirectionnel du moteur à partir d’une alimentation DC fixe. Mais nous pouvons améliorer cela en utilisant une paire complémentaire de transistors, l’un étant un dispositif NPN et l’autre un dispositif PNP comme éléments de commutation.

Comme précédemment, en activant ou désactivant les différentes paires diagonales de transistors, une commutation de tension réversible sur les bornes des moteurs peut être réalisée à l’aide d’une alimentation fixe comme indiqué.

Contrôle d’un Moteur à Courant Continu Utilisant des Transistors Bipolaires

Ici, les quatre transistors bipolaires, TR1, TR2, TR3 et TR4, créent la configuration classique du pont en H avec le moteur au centre. Les transistors TR1 et TR2 sont de type PNP, tandis que les transistors TR3 et TR4 sont de type NPN. Les transistors TR5 et TR6 sont configurés comme des inverseurs (porte NON) avec des résistances R9 et R10 pour TR5, et des résistances R11 et R12 pour TR6 fournissant les courants de base nécessaires et les courants collecteurs respectivement. Les transistors d’orientation TR5 et TR6 pourraient être remplacés par des inverseurs TTL ou CMOS (74LS04, 74LS14, ou 4049, 4069, etc.) si nécessaire.

Lorsqu’interrupteur S1 est dans sa position supérieure (A), le transistor inverseur TR6 est passant, court-circuitant le point “D” à la terre (0V). Ainsi, les paires de transistors diagonaux TR2 et TR3 conduisent et le moteur tourne dans une direction. Lorsque l’interrupteur S1 est dans sa position inférieure (B), le transistor inverseur TR5 est passant, court-circuitant le point “C” à terre.

Ainsi, les paires de transistors diagonaux TR1 et TR4 conduisent et le moteur tourne dans la direction opposée. Des résistances de polarisation de base R1, R2, R3 et R4 sont nécessaires pour limiter le courant de commande de base pour chacun des transistors utilisés.

Il est clair que les transistors utilisés doivent être capables de gérer le courant requis par le moteur à courant continu utilisé. Si d’importantes quantités de courant sont nécessaires pour le moteur, des paires Darlington telles que le NPN 5 ampères, TIP120 et PNP, TIP125 peuvent être utilisées à la place des transistors individuels du pont en H, TR1, TR2, TR3 et TR4. Pour les moteurs à courant continu de puissance moyenne, les transistors NPN 3 ampères TIP31A (ou TIP41A) et leur équivalent PNP TIP32A (ou TIP42A) peuvent également être utilisés.

Pour les moteurs à courant continu de haute puissance, le transistor NPN 25 ampères TIP35A et son équivalent PNP TIP36A peuvent gérer jusqu’à 125 watts lorsqu’ils sont utilisés avec un dissipateur thermique. De plus, les transistors universellement disponibles 2N3055 et leur équivalent PNP 2N2955 peuvent supporter jusqu’à 10 ampères (115 watts). Cependant, des combinaisons mal choisies de moteur à courant continu et de résistances de polarisation pour n’importe quelle application entraîneront un circuit de pont en H peu performant ou ne fonctionnant pas.

Circuit de Pont en H Utilisant des Transistors MOSFET

En plus d’utiliser des transistors à jonction bipolaire (BJT), nous pouvons également construire un circuit de pont en H basé sur des transistors utilisant des MOSFET de puissance complémentaires (PMOS et NMOS), ou même des transistors bipolaires à grille isolée, ou IGBT.

Le transistor à effet de champ en oxyde métallique, ou MOSFET pour abréger, est un autre dispositif de commutation à état solide courant que nous pouvons utiliser dans notre circuit de pont en H. Tout comme le transistor bipolaire, il existe deux types de dispositifs MOSFET : de type N et de type P, qui peuvent également être sous-classés par leur état de conduction : Mode de Déplétion et Mode d’Amélioration. Ces modes de fonctionnement dépendent généralement de leur tension de polarisation.

Le mode de fonctionnement de base d’un pont en H utilisant des MOSFET est exactement le même que pour le précédent circuit de pont en H bipolaire. La différence cette fois-ci est que nous utilisons des MOSFET de mode d’amélioration de type N et P comme nos principaux éléments de commutation de moteur. Étant donné qu’ils constituent d’excellents commutateurs à état solide.

Conduire un Moteur à Courant Continu Utilisant des MOSFET de Mode d’Amélioration

Selon la tension et le courant du moteur requis, des MOSFET de puissance de type N de série IRF-5xx (IRF-530 ou équivalent) et des MOSFET de puissance de type P de série IRF-95xx (IRF-9530 ou équivalent) peuvent être utilisés pour la plupart des applications.

Puisque la borne de grille d’un MOSFET de mode d’amélioration est électriquement isolée de son canal de conduction principal drain-source, nous pouvons utiliser des circuits intégrés logiques numériques peu puissants pour piloter le pont. Ici, nous avons utilisé la sortie de deux inverseurs à déclenchement Schmitt TTL d’un 74HC14 pour piloter les grilles des transistors de puissance.

De même, lorsque la sortie de U1 est BAISSE (S1 en position A), FET1 et FET4 changent d’état pour être “OFF” et FET2 et FET3 sont activés “ON” permettant au moteur de tourner dans la direction opposée. Cela produit une rotation bidirectionnelle du moteur à courant continu.

Alors que, dans cet exemple simple, nous avons utilisé un interrupteur mécanique SPDT pour contrôler la direction du moteur. Les entrées A et B des inverseurs à déclenchement Schmitt 74HC14 (ou équivalents CMOS) pourraient être interfacées avec un circuit logique numérique, Raspberry Pi, Arduino, ou tout autre dispositif de contrôle numérique similaire permettant un contrôle directionnel et de vitesse à 4 quadrants du moteur à courant continu utilisant la modulation de largeur d’impulsion (PWM).

Contrôle du Moteur à Courant Continu

En se référant à la topologie de circuit de conduite à quatre interrupteurs ci-dessus. Nous voulons contrôler un moteur à courant continu en utilisant un circuit de pont en H basé sur E-MOSFET et fournir quatre fonctions à notre moteur électrique : Avancer, Reculer, Commutation haute (Frein), et Roulement (roue libre). Ces quatre fonctions doivent être sélectionnées à l’aide de deux lignes de contrôle d’entrée A et B.

• 1. Tous les quatre interrupteurs sont “ouverts” – aucune puissance n’est appliquée au moteur donc il peut tourner librement (roue libre).
• 2. Les interrupteurs S1 et S4 sont fermés ensemble – le courant circulera de gauche à droite (En avant).
• 3. Les interrupteurs S2 et S3 sont fermés ensemble – le courant circulera de droite à gauche (En arrière).
• 4. Les interrupteurs S1 et S2 sont fermés ensemble – le même potentiel est appliqué aux deux bornes du moteur (Freinage).

Ensuite, en appliquant les niveaux logiques “1” ou “0” aux entrées A et B, la direction de rotation du moteur peut être contrôlée avec le tableau de vérité ci-dessous montrant la combinaison possible des états d’entrée et leur résultat.

Tableau de Vérité H-bridge pour Moteurs à Courant Continu

Modes de Fonctionnement
Entrée B	Entrée A	Interrupteur S4	Interrupteur S3	Interrupteur S2	Interrupteur S1	Fonction
0	0	0	0	1	1	Moteur Arrêté (Roulement)
0	1	1	0	1	0	Moteur Tourné (Avancer)
1	0	0	1	0	1	Moteur Tourné (Reculer)
1	1	0	0	0	0	Moteur Arrêté (Freinage)

Notez qu’étant donné que nous allons utiliser un MOSFET de type P, ou P-MOS, pour les interrupteurs S1 et S2, une tension inférieure à la borne source (S) doit être appliquée à la borne de grille (G) pour l’activer “ON”. C’est-à-dire qu’un logique 0 (BAISSE) l’activera “ON”, tandis qu’un logique 1 (HAUTE) l’éteindra “OFF”. Donc pour le freinage dynamique, les deux paires d’interrupteurs S1 et S2 de haute gamme seront fermées (logique-0).

Il existe plusieurs façons différentes d’implémenter ce tableau de vérité dans un circuit physique à l’aide de portes logiques numériques. Une façon simple consiste à sélectionner chaque ligne du tableau de vérité et à générer une expression pour chaque état de sortie des interrupteurs S1 à S4 en utilisant l’algèbre de Boole comme indiqué.

• Expression de l’interrupteur S1

• • S1 = A.B + A.B

• Expression de l’interrupteur S2

• • S2 = A.B + A.B

• Expression de l’interrupteur S3

• • S3 = A.B

• Expression de l’interrupteur S4

• • S4 = A.B

Nous pouvons donc implémenter les expressions booléennes des quatre éléments de commutation en utilisant des portes AND combinatoires à 2 entrées et des portes NON comme suit :

Contrôle Logique de Commutation

Selon les portes logiques numériques que vous avez à votre disposition, et l’utilisation de transistors bipolaires NPN et PNP, ou uniquement de transistors NPN, ou uniquement de E_MOSFETS de type N comme vos dispositifs de commutation de puissance. Vous pouvez redessiner le circuit de contrôle en utilisant différents types de portes logiques en utilisant les mêmes étapes d’algèbre booléenne qu’auparavant.

Nous pouvons maintenant connecter notre circuit de contrôle numérique ci-dessus aux MOSFETs pour construire le circuit du moteur à pont en H comme suit :

Circuit de Moteur H-Bridge E-MOSFET

Notez qu’ici nous avons suggéré des dispositifs de puissance MOSFET de type N IRF530N et de type P IRF9530 qui ont eux-mêmes une protection diodes à roue libre intégrée. Si vous utilisez d’autres types de MOSFETs ou de transistors bipolaires, alors des diodes connectées en parallèle sont nécessaires dans le circuit de pont en H pour aider à amortir les pics transitoires générés par les bobines du moteur lors de son démarrage et de son arrêt.

Aujourd’hui, il existe de nombreux types de MOSFETs de puissance disponibles tels que VMOS, hexFET, power-MOS, et LDMOS qui peuvent commuter des courants de moteur allant de quelques ampères à plusieurs centaines d’ampères à différentes puissances.

Drivers IC de Pont en H

Étant donné que le circuit de pont en H est très courant et utile pour faire fonctionner des moteurs à courant continu et d’autres charges similaires, des circuits intégrés disponibles dans le commerce combinent les quatre éléments de commutation, diverses entrées de contrôle et des éléments de détection intégrés dans un seul boîtier de circuit intégré pour faire fonctionner de petits moteurs à courant continu de type hobby.

Un tel dispositif est le L293D qui est un circuit intégré à double pont en H populaire pour faire fonctionner de petits moteurs à courant continu jusqu’à 36 volts et 1 ampère par enroulement de moteur. Ou le plus grand L298N qui peut gérer jusqu’à 2 ampères par enroulement de moteur.

Le circuit intégré de pont en H LMD18200 de National Semiconductor est également disponible, capable de gérer jusqu’à 3 ampères par enroulement de moteur. Mais pour le contrôle de moteurs à courant continu plus grands nécessitant des dizaines de volts ou d’ampères, des circuits de pont en H à puissance discrète sont nécessaires.

Résumé du Tutoriel

Les moteurs à courant continu sont couramment utilisés dans une grande variété de circuits électriques, de contrôles et de systèmes, tels que des jouets, des drones et de la robotique. Les moteurs à courant continu sont faciles à faire fonctionner, entièrement contrôlables et facilement disponibles dans de nombreuses tailles et configurations différentes.

Bien qu’il existe de nombreux circuits de conduite de moteurs à courant continu disponibles pour contrôler un moteur électrique à différentes vitesses, le circuit de conducteur de moteur à courant continu en pont en H est une manière très simple et facile de contrôler la vitesse et la direction de rotation de tous les moteurs à courant continu.

Le nom “Pont en H” dérive de la forme réelle des quatre éléments de commutation qui contrôlent le moteur. Bien qu’un pont en H soit effectivement deux “demi-ponts” reliés ensemble par le moteur (ou une charge), on parle également de “circuit à pont complet”.

Ce circuit à pont complet, pont en H, ou double circuit à demi-pont est couramment utilisé pour permettre aux moteurs à courant continu de tourner vers l’avant et vers l’arrière en sélectionnant les paires de commutation diagonales opposées. Cela entraîne l’inversion de la polarité de la batterie à travers le moteur à courant continu. Des solénoïdes push-pull et des relais inversants peuvent également être pilotés à l’aide d’une topologie de pont en H.

Les circuits de pont en H peuvent être construits en utilisant des transistors bipolaires à haute puissance, des transistors Darlington, ou des E-MOSFETs de puissance. Pour les petits moteurs à courant continu de faible puissance, les puces de contrôle de moteurs à courant continu telles que le L293D constituent un excellent choix, consommant jusqu’à 1 ampère par enroulement de moteur à jusqu’à 36 volts. Il peut non seulement contrôler la direction et la puissance du moteur, mais aussi sa vitesse de rotation à l’aide de modulation de largeur d’impulsion, ou PWM.

Nous avons alors vu ici que le circuit de conducteur de moteur à pont en H est un excellent moyen de contrôler la rotation bidirectionnelle d’un moteur à courant continu en utilisant quatre transistors bipolaires, ou E-MOSFETS et est un incontournable pour tout étudiant ou amateur d’électronique.