Electrónica — Módulo Puente H

El módulo Puente H 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 embebido que gestiona los modos de comunicación. El robot lleva dos, uno por motor de tracción.

Nivel de replicación

Construible

Está la geometría acotada y el procedimiento. Tendrás que adaptarlos a tus herramientas y materiales.

Lo que encuentras aquí

Gerbers verificados (13 archivos, incluye taladros PTH) listos para pedido
Proyecto KiCad 9 completo: esquemático, layout y librerías
Lista de materiales con designadores, cantidades y encapsulados
Archivo de posiciones y designadores para ensamble automatizado
Firmware MicroPython funcional y protocolo de comando documentado
Datasheet propio de la placa

Lo que falta para llegar a «Reproducible»

Valor exacto de los diodos Zener D4–D7: el diseño usa el símbolo genérico 1N47xxA y no fija la tensión (ver «Lista de materiales»)
Números de parte de proveedor: la columna LCSC del BOM está vacía, así que la compra hay que resolverla por encapsulado y valor
Plantilla de stencil para pasta de soldadura, si se quiere ensamblar por reflow en vez de a mano

Requisitos de diseño

El driver de motor debía:

Controlar motores DC de 12–24 V, corriente continua ~4 A.
Soportar modos de comunicación múltiples (I²C, WiFi, BLE, UART).
Encadenarse en arquitectura maestro-esclavo (daisy chain I²C).
Arrancar en estado seguro (DISARMED) para evitar movimientos no deseados.
Ser compacto y replicable con componentes de catálogo.

Arquitectura del circuito

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

Esquema de bloques funcionales del puente H — Etapa de potencia, aislamiento óptico, control embebido, expansión I²C y protección.

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

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

Fabricación de la 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

Artefacto

Gerbers de fabricación — Puente H

140 KB

Artefacto

Proyecto KiCad completo — Puente H

5,5 MB

Artefacto

Datasheet Puente H ESP32-C3

1,4 MB

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.

Esquemático del Puente H en KiCad — ESP32-C3, optoacopladores 4N25, MOSFETs IRF540N/IRF9540N, conectores de potencia e I²C.

Layout PCB de dos capas del Puente H — El ruteo separa los planos de potencia —pistas de 2,0 mm— de las señales lógicas del microcontrolador.

Lista de materiales

54 componentes en 21 referencias distintas. La tabla está ordenada por función, no por designador, porque el orden que importa al replicar es el de la compra.

Artefacto

BOM — Puente H (CSV)

1,1 KB

Artefacto

Posiciones para ensamble — Puente H (CSV)

1,4 KB

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. Para el ensamble automatizado de JLCPCB habría que rellenarla primero.

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.

Vista de manufactura de JLCPCB del módulo Puente H — Vista de manufactura que devuelve JLCPCB al subir los Gerbers: la última revisión antes de pagar el lote.

PCB del Puente H recién soldada — Placa recién soldada, antes de la instalación en el robot.

Detalle de la PCB del Puente H con ESP32-C3, DIP switch y conectores I²C — ESP32-C3 SuperMini, conector I²C etiquetado (5 V, SDA, SCL, GND), borneras y DIP switch de selección de modo.

El orden de montaje va de menor a mayor altura, que es la práctica estándar para soldadura manual y la que evita que un componente alto estorbe el acceso a uno bajo:

Resistencias y capacitores 1206, y los LED. Son los más planos.
Optoacopladores 4N25 en sus zócalos DIP-6. Respeta la marca de pin 1.
Zener D4–D7 y los puentes J1–J4.
Módulo ESP32-C3 SuperMini.
DIP switch y pulsador.
MOSFETs TO-220 — los cuatro van verticales.
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.

Interior de la caja de elevación con los módulos Puente H montados — Los dos módulos Puente H alojados dentro de la estructura metálica que eleva el manipulador, sobre soportes impresos y sin cajas externas.

Configuración

Modos de operación (DIP switch)

Módulo Puente H instalado en la estructura del robot — El módulo ya instalado en la estructura, con el cableado de potencia y el bus I²C conectados.

El estado del DIP switch se lee únicamente al encender y fija el modo de operación.

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)

Asignación de pines ESP32-C3

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)

Conectores externos

Conectores físicos del módulo Puente H

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

Firmware

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

Artefacto

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 — tramas de 7 bytes

En los modos maestro/esclavo, todos los comandos al Puente H viajan como paquetes binarios de longitud fija. 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.

Verificación

El módulo pasó por dos etapas físicas antes de la versión final: prototipo en protoboard y placa fabricada.

Prototipo del puente H armado en protoboard — Prototipo en protoboard, donde se validó la topología antes de rutear la placa.

Medición de temperatura sobre el prototipo del puente H — Medición térmica sobre el prototipo: máximo registrado de 61 °C en los MOSFETs bajo carga.

El módulo acumula cinco resultados de prueba: temperatura de los MOSFETs en protoboard y bajo carga continua, movimiento diferencial en superficie plana, respuesta a los comandos de dirección y control remoto extremo a extremo. El detalle de cada uno está en Verificación del robot móvil.