Puente H

El Puente H es la placa que mueve los motores de tracción del robot. Recibe una consigna de velocidad y la convierte en la potencia que llega al motor. El robot lleva dos, uno por motor.

Sinopsis

Qué es

Una tarjeta de control de motor DC de diseño propio. Usa una topología de puente H discreto, con aislamiento óptico entre la lógica y la potencia, y un ESP32-C3 que gestiona los modos de comunicación.

Características eléctricas

Parámetro	Valor	Unidad
Alimentación de potencia	12–24	V DC nominal
Corriente continua deseada	4–5	A
Corriente pico máxima	8	A
Microcontrolador	ESP32-C3 SuperMini	—
Aislamiento lógica/potencia	Optoacopladores 4N25	—
MOSFETs alto lado	IRF9540N	canal P, 117 mΩ
MOSFETs bajo lado	IRF540N	canal N, 44 mΩ

Etapa de potencia, aislamiento óptico, control embebido, expansión I²C y protección.

1. Etapa de potencia — puente H con MOSFETs IRF540N (N) e IRF9540N (P).
2. Aislamiento de control — optoacopladores 4N25 que separan la lógica del circuito de conmutación.
3. Control embebido — el ESP32-C3 administra modos de comunicación, lógica de mando y estados.
4. Interfaz de expansión — conectores I²C de entrada y salida para la arquitectura maestro-esclavo.
5. Protección e indicación — fusible de entrada, capacitor de filtrado, LEDs de estado, botón local.

Cómo funciona

Al encender, la placa lee su DIP switch una sola vez, y esa lectura fija por dónde recibe las órdenes: I²C como maestro o esclavo, WiFi, BLE o Bluetooth clásico. En el robot, un módulo arranca como maestro y el otro como esclavo. Por USB-C acepta órdenes siempre, sea cual sea el modo.

Modos de operación (DIP switch)

SW3	SW2	SW1	Modo	Descripción
0	0	0	Prueba local	Validación interna; rutina activable por botón
0	0	1	WiFi	Recibe comandos por red inalámbrica
0	1	0	BLE	Bluetooth Low Energy
0	1	1	HC-05	Bluetooth clásico por UART externo
1	0	0	I²C Maestro	Nodo maestro en arquitectura distribuida
1	0	1	I²C Slave 1	Esclavo 1 (dirección reservada)
1	1	0	I²C Slave 2	Esclavo 2 (dirección reservada)
1	1	1	I²C Slave 3	Esclavo 3 (dirección reservada)

La placa arranca con la salida al motor deshabilitada, y solo la habilita tras una orden explícita de armado. Para mover el motor activa una de las dos diagonales del puente con PWM: una diagonal gira en un sentido, la otra en el contrario.

Tabla funcional del puente H

PWM_0 = 1 y PWM_1 = 1 simultáneamente está prohibido: provoca cortocircuito entre rieles de potencia.

PWM_0	PWM_1	Estado	Descripción
0	0	Libre / deshabilitado	Ambos caminos apagados
1	0	Giro A	Activa diagonal A; combinable con PWM
0	1	Giro B	Activa diagonal B; combinable con PWM
1	1	Prohibido	Riesgo de cortocircuito

Conexiones

De la NUC a las ruedas. El maestro recibe las órdenes por USB y reenvía la suya al esclavo por I²C; cada módulo mueve su propio motor.

1. NUCPython 3.12
2. USB-CDC · COM4
3. Puente H maestroESP32-C3 · DIP 100
4. I²C 0x08 · tramas binarias
5. Puente H esclavoESP32-C3 · I²C 0x08
6. Salida al motor · uno por módulo
7. Motores DC de tracciónbase diferencial · 12–24 V

Conectores de la placa

Conector	Pines	Descripción
Entrada de potencia	2	Entrada principal de 12–24 V DC
Salida al motor	2	Terminales del puente H hacia la carga
Data_in I²C	4	+5V, SDA, SCL, GND — recibe el bus desde el maestro
Data_out I²C	4	Réplica del bus para encadenar el siguiente módulo
Header HC-05	6	+5V, GND, RX, TX — Bluetooth clásico o debug UART
USB-C (ESP32-C3)	—	Programación, alimentación digital y debug prioritario

Los dos módulos alojados dentro de la estructura metálica que eleva el manipulador, sobre soportes impresos y sin cajas externas.

PCB

La placa

Se diseñó en KiCad 9 y se fabricó en JLCPCB. Los valores de abajo están leídos del archivo de layout, no transcritos: son los que hay que declarar al pedir la placa.

Especificación de fabricación

Parámetro	Valor	Unidad	Notas
Dimensiones	80,6 × 73,4	mm
Capas de cobre	2	F.Cu / B.Cu
Espesor de placa	1,6	mm
Vías	14	—
Ancho de pista — potencia	2,0	mm	Diagonales del puente y rieles de alimentación
Ancho de pista — señal	0,3 – 1,0	mm

ESP32-C3, optoacopladores 4N25, MOSFETs IRF540N/IRF9540N, conectores de potencia e I²C.

El ruteo separa los planos de potencia —pistas de 2,0 mm— de las señales lógicas del microcontrolador.

Para pedir la placa basta subir gerbers.zip tal cual al fabricante y dejar los parámetros por defecto de dos capas: el espesor de 1,6 mm y el acabado estándar son los que se usaron. El ZIP incluye los taladros PTH, así que no hay que exportar nada aparte.

Costo de fabricación

Cifras reales de JLCPCB para un lote de 10 piezas de dos capas, sin ensamble de fábrica. El Controlador CL57T cae en el mismo rango.

Concepto	Costo aproximado
Producción	5,00 USD
Envío	17,50 USD
Derechos de importación	130 MXN

El envío pesa más del triple que la producción. Por eso conviene pedir el Puente H y el Controlador CL57T en el mismo lote, y pedir diez piezas cuando hacen falta dos.

Archivos

Archivo

Gerbers de fabricación — Puente H

140 KB

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Proyecto KiCad completo — Puente H

5,5 MB

Archivo

Datasheet Puente H ESP32-C3

1,4 MB

Lista de materiales

54 componentes en 21 referencias distintas, ordenados por función: el orden que importa al replicar es el de la compra.

Lista de materiales — módulo Puente H

Designadores	Cant.	Valor	Encapsulado
U1	1	ESP32-C3 SuperMini	Módulo SMD
Q1, Q2	2	IRF9540N (canal P)	TO-220-3 vertical
Q3, Q4	2	IRF540N (canal N)	TO-220-3 vertical
U2–U5	4	4N25	DIP-6, paso 7,62 mm
D4–D7	4	1N47xxA (Zener — ver nota)	DO-41 horizontal
D1	1	LED indicador	1206
D2	1	LED de datos	1206
D3	1	LED de potencia	1206
C1, C3, C4	3	100 nF	1206
C2	1	2200 µF 50 V	Radial D16 mm, paso 7,5 mm
R1–R4, R14, R15	6	330 Ω	1206
R7, R8, R10, R11, R16–R19	8	10 kΩ	1206
R6, R9, R12, R13	4	2,2 kΩ	1206
R20, R21	2	4,7 kΩ	1206
R5	1	3,3 kΩ	1206
F1	1	Portafusible 5 × 20 mm	Clip inline horizontal
SW3	1	DIP switch 4 posiciones	Slide, paso 2,54 mm
SW2	1	Pulsador	RS-032G05A3-SMRT
M1	1	Bornera salida a motor	MX126-5.0, 2 P
VP_IN1, VP_OUT1	2	Bornera de potencia	MX126-5.0, 2 P
DATA_IN1, DATA_OUT1	2	Conector I²C	JST EH 4 P vertical
CONN01X06	1	Header HC-05	JST EH 6 P vertical
J1–J4	4	Puente de alambre	0,5 mm²

Dos advertencias antes de comprar:

• Los Zener D4–D7 no tienen valor cerrado. El esquemático usa el símbolo genérico 1N47xxA de la librería de KiCad, cuyo datasheet por defecto apunta al 1N4728A (3,3 V, 1 W). Ese enlace viene de la librería, no de una elección registrada en el diseño, así que hay que confirmar la tensión contra la placa física antes de pedir.
• La columna LCSC Part # del BOM está vacía. No hay números de parte de proveedor, así que la compra se resuelve por valor y encapsulado.

Archivos

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Lista de materiales — Puente H (CSV)

1,1 KB

Archivo

Posiciones para ensamble — Puente H (CSV)

1,4 KB

Ensamble

La placa mezcla SMD 1206 con componentes de orificio pasante voluminosos —MOSFETs TO-220, capacitor radial de 16 mm, borneras—, así que el ensamble manual es viable y fue el que se usó. El orden va de menor a mayor altura, para que un componente alto no estorbe el acceso a uno bajo:

1. Resistencias y capacitores 1206, y los LED.
2. Optoacopladores 4N25 en sus zócalos DIP-6. Respeta la marca de pin 1.
3. Zener D4–D7 y los puentes J1–J4.
4. Módulo ESP32-C3 SuperMini.
5. DIP switch y pulsador.
6. MOSFETs TO-220 — los cuatro van verticales.
7. Portafusible, borneras, conectores JST y el capacitor de 2200 µF.

Antes de aplicar potencia por primera vez conviene verificar continuidad entre los rieles de alimentación y masa: un corto ahí es el fallo que la topología de puente H castiga más rápido.

ESP32-C3 SuperMini, conector I²C etiquetado (5 V, SDA, SCL, GND), borneras y DIP switch de selección de modo.

Asignación de pines

Señal	GPIO	Función
PWM_0	GPIO6	Salida de mando — diagonal A del puente H
PWM_1	GPIO7	Salida de mando — diagonal B del puente H
SDA	GPIO8	Datos del bus I²C
SCL	GPIO9	Reloj del bus I²C
LED	GPIO10	LED de usuario / depuración
RX / TX	GPIO20 / GPIO21	UART para módulo HC-05
S0, S1, S2	GPIO1, GPIO3, GPIO4	Lectura del DIP switch
BTN	GPIO5	Botón local (pull-up interno)

Firmware

MicroPython sobre el ESP32-C3. Acepta comandos por USB-C —canal prioritario, siempre activo— o por el medio seleccionado con el DIP switch.

Archivos

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Firmware — main_movil_final.py

31 KB

Para cargarlo: instala el intérprete de MicroPython para ESP32-C3 en el módulo, copia el archivo como main.py en su sistema de archivos y reinicia. El firmware arranca leyendo el DIP switch, así que hay que fijar el modo antes de alimentar la placa.

Máquina de estados

  BOOT
   │  lee DIP switch (solo una vez)
   ▼
DISARMED ──── ARM explícito o botón largo ────► ARMED
   ▲                                              │
   └─── timeout 2 500 ms sin comando ────────────┘
   │
FAULT ◄─── cortocircuito / error de checksum

La salida al motor permanece deshabilitada en DISARMED. Pasar a ARMED exige un comando explícito, así que el robot no puede moverse por accidente al encenderse ni al reconectarse.

Protocolo I²C binario

En los modos maestro y esclavo, todos los comandos al Puente H viajan como paquetes binarios de 7 bytes. El maestro construye la trama; los esclavos la validan antes de ejecutar.

Byte	Campo	Descripción
0	PREAMBLE	Siempre 0xA5 — marca de sincronía
1	SEQ	Número de secuencia 0–255 para detección de duplicados
2	CMD_MODE	0 STOP, 1 TARGET, 2 TEST
3–4	LO, HI	Consigna con signo como int16 little-endian
5	FLAGS	Bitmask: ARMED (0x01), FAULT (0x02), TEST (0x04)
6	CHECKSUM	XOR de los bytes 0–5

Si el checksum no coincide, el paquete se descarta silenciosamente y el motor permanece en su último estado: nunca se ejecuta un movimiento con datos corruptos.

Deadtime y rampas

Conmutar ambas diagonales del puente H a la vez provoca cortocircuito. Para evitarlo, apply_bridge_local_safe() impone 300 µs de tiempo muerto entre cambios de diagonal.

Ningún cambio de velocidad es instantáneo. El duty cycle sube o baja 1 % cada 20 ms hasta alcanzar la consigna, con un techo de 70 %. Pasar de 0 % a velocidad máxima toma por tanto 1,4 s como mínimo, y esa rampa es la que limita las corrientes de arranque y el estrés mecánico sobre los motores DC.

El techo del 70 % es una decisión de seguridad de la plataforma móvil: con el manipulador montado, acelerar a fondo compromete la estabilidad.

Parámetros de tracción, leídos del firmware

Parámetro	Valor	Unidad	Notas
Frecuencia PWM	1000	Hz
Tiempo muerto entre diagonales	300	µs	Evita el cortocircuito de puente
Techo de velocidad	70	% de duty
Rampa	1 % cada 20	ms	1,4 s de 0 % al techo
Timeout de comunicación	2500	ms	Sin comando, vuelve a DISARMED
Refresco maestro → esclavo	80	ms
Baudios del enlace serie	115200	bps
Prioridad de USB	8000	ms	Ventana en que USB desplaza al medio del DIP switch

Prueba desde tu PC

El maestro acepta por USB los mismos comandos de texto que le manda la NUC, así que se prueba conectándolo directo a una PC. El script consulta la placa y el bus I²C y, si se lo pides, mueve los dos motores unos segundos, reenviando la orden a 15 Hz como la NUC para que no salte el timeout de 2,5 s.

1. Pon el DIP switch en 100 (maestro) antes de alimentar la placa.
2. Conecta el USB-C del ESP32-C3 a la PC. Para mover, conecta también la potencia y deja las ruedas en el aire.
3. Instala la dependencia: pip install pyserial.
4. Corre la prueba:

python prueba_puente_h.py --puerto COM4
python prueba_puente_h.py --puerto COM4 --mover --consigna 80 --segundos 3
python prueba_puente_h.py --puerto COM4 --consola

Archivos

Archivo

Prueba del Puente H — prueba_puente_h.py

3,2 KB

La placa debe responder PONG, su estado, y I2C_SCAN:0x8,0xb si el esclavo y el controlador CL57T están conectados al bus. Con --consola puedes escribir cualquier comando; HELP los lista.