INSTITUTO TECNOLOGICO MUNICIPAL
INSTITUTO TECNOLOGICO MUNICIPAL
ANTONIO JOSE CAMACHO
GUIAS DE LABORATORIOS DE ELECTRONCA INDUSTRIAL II
8. TEMA 8: MODULADOR DE ANCHO DE PULSO ANALOGICO(P.W.M).
9. OBJETIVOS
Analizar el funcionamiento de un circuito de control de potencia
con un modulador de ancho de pulso analgico utilizando como
elemento de disparo el SCR y el TRIAC.
Observar la forma de onda cuadrada simtrica o asimtrica de un
modulador de ancho de pulso analgico.
Utilizar el circuito modulador de ancho de pulso analgico
controlar la velocidad de los motores de corriente continua y paso
a paso.
8.1 RECURSOS
Osciloscopio Fuente de energa VDC
Multimetro (anlogo o digital).
Transformador 12VAC.
8.2 MATERIALES
1 Circuito integrado LM 324 N 1- Potenciometro 10K
4- Transistor 2N3904 1- Motor de DC12V-24V
4- Transistor 2N3906 1- Motor de PAP.
1- Diodo 1N4004 1- Optoacoplador MOC 3010 1. Diodo LED 1-
TRIAC
1-LM 555 1- Resistencia 180( 1-4017B. 1-Resistencia 220(
10-Diodos 1N4148 conmutacin rpida.
7- Resistencia de 1K 1. IC-ULN2803 1- Resistencias de 2K7
2. Resistencia de 3K9
1- Resistencia 47K
8- Resistencias de 100K
2. Condensador 0.1uF
3. Condensador de 0.01uF
1.
8.3 HERRAMIENTAS
Proto-board
Pinzas planas
Corta fro o pela cable
Conectores (caimanes).
8.4 INFORMACION BASICA
Si se controla el voltaje de salida de los convertidores
monofsicos semi o completos, mediante la variacin del ngulo de
retraso, extincin o simtrico slo habr un pulso por cada medio ciclo
en la corriente de entrada del convertidor, como el resultado del
armnico de menor orden. Resulta difcil filtrar una corriente
armnica de orden menor.
En el control por modulacin del ancho de pulso (PWM), los
conmutadores del convertidor se cierran o abren varias veces
durante medio ciclo, la salida se controla variando el ancho de los
pulsos. Las seales de compuerta se generan comparando una onda
triangular con una seal directa tal como se indica en la figura
1.
Figura 1. Control por modulacin de ancho de pulso.
8.4.1 MODULACION SENOIDAL DEL ANCHO DE PULSO.
Para controlar el voltaje de salida se puede variar el ancho de
los pulsos. Si cada medio ciclo existe p pulsos de igual ancho, el
ancho mximo de un pulso es ( / p. Sin embargo, el ancho de los
pulsos puede ser diferente. Es posible seleccionar el ancho de los
pulsos, de forma que ciertos armnicos sean eliminados. Existen
varios mtodos para variar el ancho del pulso, siendo el ms comn la
modulacin senoidal del ancho del pulso.
2.
Figura 2. Control senoidal del ancho de pulso.
La figura 2, se genera los anchos de pulso comparado con un
voltaje de referencia triangular Vr, de amplitud Vr, y de
referencia fr, con un voltaje semisenoidal portador Vc, de amplitud
variable AC, y tiene dos frecuencias 2fs.
El voltaje de entrada Vc, est en fase con el voltaje de entrada
Vs, y tiene dos veces la frecuencia de alimentacin.
Un modulador por ancho de pulso (P.W.M), es un dispositivo que
puede usarse como eficiente dimmer de luz, para controlar la
velocidad en motores de corriente continua. Los motores de
corriente continua grandes son controlados ms eficientemente con
tiristores de alta potencia, mientras los pequeos y medianos de imn
permanente, son controlados ms exitosamente con transistores de
conmutacin.
En el control con modulador por ancho de pulso (P.W.M), se
utiliza un voltaje para variar o modular el ciclo de trabajo o el
ancho de pulso que entra a la carga en determinada unidad de
tiempo. Esta activacin varia el voltaje y la potencia promedio de
dicha carga; como por ejemplo:
Puede aumentar o disminuir la produccin de calor por unidad de
tiempo.
Si la carga es una bombilla puede variar su energa luminica.
Si es motor DC puede variar la potencia mecnica entregada y por
ende su velocidad.
Un modulador de ancho de pulso (P.W.M), arroja como resultado
una onda cuadrada con ciclo variable de ON y OF, variando en el
tiempo de 0 al 100%, de esta manera una cantidad variable de
potencia es transferida a la carga. La principal ventaja de un
modulador de pulso sobre un controlador que basa en la variacin
lineal de la potencia suministrada a una carga mediante el cambio
resistivo en la eficiencia.
3.
La eficiencia en la carga es un factor crtico en cualquier
sistema alternativo de energa. Una ventaja adicional de la
modulacin por ancho de pulso es que los pulsos producen mayor
torque en un motor, al poder excitar ms fcilmente las resistencias
de internas del bobinado del motor.
En un circuito P.W.M, pueden usarse pequeos potencimetros para
controlar una gran cantidad de cargas, mientras que para
controladores resistivos se requieren de resistencias variables
grandes y costosas.
La principal desventaja de los circuitos moduladores de ancho de
pulso es la posibilidad que existan interferencias de
radiofrecuencia (R.F.I). Se puede minimizar ubicarlo cerca de la
carga y utilizando un filtrado en la fuente de alimentacin.
8.4.2 MODULADOR DE ANCHO DE PULSO + 12 Vdc
R1=R4=100K R5=47K R6=R7=3K9 R8=2K7 RV1=10K C1=0.01(F
C2=C3=O,1(F I.C=LM324 Q1=IRF521CANAL N D1=1N4004 1=LEDFigura 3.
Circuito de un modulador de ancho de pulso (P.W.M).
La figura 3, muestra un circuito de un modulador de ancho de
pulso (P.W.M), constantemente necesita un oscilador para
operar.
4.
Los amplificadores operacionales U1a y U1d, forman un generador
de onda rectangular y triangular de una frecuencia alrededor de
400Hz.
El U1c, se usa para generar un voltaje de referencia de 6
voltios, el cual sirve como tierra virtual para el oscilador. Esto
es necesario para
permitirle que el oscilador funciones a partir de una fuente
simple en lugar de una fuente de voltaje dual.
El amplificador operacional U1b, se configura como comparador y
forma parte del circuito que genera el pulso variable.
El terminal 6, del amplificador operacional U1b, recibe un
voltaje variable de la escalera formada por las resistencias R6,
VR1 y R7, el cual es comparado con la onda triangular de U1d,
terminal 14. Cuando la forma de onda est sobre el voltaje del
terminal 6, U1d, produce una salida alta. De igual manera, cuando
la onda se encuentra por de la onda triangular, produciendo un
pulso de ancho variable.
Las resistencias R6 y R7, se usan para establecer los puntos
finales del control de +VR1, los valores de estos elementos
permiten que el potencimetro tome valores de 0% a 100%. Finalmente
el transistor Q1, es el conmutador de potencia. Este recibe el
pulso modulado por el ancho en el terminal de la comperta (gate), y
puede conmutar la corriente a la carga entre el encendido y apagado
en la carga.
Se debe tener mucho cuidado que los terminales de la carga no se
encuentren conectados a tierra, de los contrario ocurrira un corto
circuito. El diodo LED, es opcional, el mismo produce un brillo de
acuerdo al ancho del pulso. El diodo D1, protege el circuito sobre
voltajes inversos que pueden venir de cargas inductivas como las
del motor.
Tambin se puede acoplar la etapa de potencia o salida se puede
acoplar con un opto-Triac y un triac y una carga resistiva como se
utilizo en el disparo digital.
8.4.3 MOTORES PASO A PASO
En muchas ocasiones se hace necesario convertir una energa
elctrica en otra mecnica, cuando dicha energa mecnica se requiere
en forma de movimiento rotacional , un motor es el ideal para tal
conversin.
Estos motores encuentran utilidad en aquellas aplicaciones que
requieren posicionamientos con un grado de exactitud y una buena
regulacin de velocidad, presentandose como mayor inconveniente la
no elevada velocidad angular o giro.
5.
Sus principales aplicaciones se puede encontrar en:
robtica
Tecnologa aeroespacial
Gobierno de discos duros
Manipulacin y posicionamiento de piezas y herramientas en
general.
8.4.4 DESCRIPCION BASICA.
Los motores elctricos, en general se basan su funcionamiento en
las fuerzas ejercidas por un campo electromagntico y creadas al
hacer circular una corriente elctrica a travs de una bobina o
varias bobinas.
Si dichas bobina estn en forma circular se denomina estator, se
mantiene en una posicin mecnica y fija en su interior, bajo la
influencia del campo electromagntico. Si se coloca otra bobina
llamada rotor, recorrida por una corriente capaz de girar sobre su
eje, esta ltima tender a buscar la posicin de equilibrio magntico,
es decir orientar los polos N-S, del estator respectivamente.
Si por algn mtodo, cuando el rotor alcance esa posicin de
equilibrio manteniendo dicha situacin de manera continuada, se
conseguir un movimiento giratorio y continuo del rotor y a la vez
la transformacin de una energa en otra mecnica en forma de
movimiento circular.
Aun basado en el mismo fenmeno, el principio de funcionamiento
de los motores paso a paso es ms sencillo, si cabe, que el de
cualquier otro tipo de motor elctrico.
Figura 4. Principio de funcionamiento de un motor pasos a
paso.
La figura 4, tenemos un modelo donde suponemos que tanto L1,
como L2, poseen
6.
un ncleo de hierro dulce capaz de imantarse cuando dichas
bobinas sean recorridas por una corriente elctrica. Por otra parte,
el imn M, pude girar libremente sobre el eje de sujeccin
central.
Inicialmente sin aplicarle corriente a ninguna de las bobinas
llamadas fases y con M, en una posicin cualquiera, el imn
permanecer en reposo si no se somete a una fuerza externa.
Si se hace circular una corriente por ambas fases en el sentido
indicado en figura 4, se crearn dos polos magnticos N, en la parte
interna, bajo cuya influencia M, se desplaza hasta posicin indicada
en dicha figura.
Si invertimos la polaridad de la corriente que circula por L1,
se obtendr la situacin magntica indica en la figura 4b, y M se ver
desplazado hasta la nueva posicin de equilibrio, es decir, ha
girado 90 grados en sentido contrario a las manecillas del
reloj.
Invertimos ahora la polaridad de la corriente en L2, se llega la
situacin de la figura 4c, habiendo girado el motor a otros 90
grados. Si por fin invertimos de nuevo el sentido de la corriente
en L1, M, girar otros 90 grados y se habr obtenido una revolucin
completa de dicho imn en cuatro pasos de 90 grados.
Por tanto si se mantiene la secuencia de excitacin expuesta para
L1 y L2, y dichas corrientes son aplicadas en forma de pulsos, el
rotor avanzar pasos de 90 grado por cada pulso aplicado. De lo
anterior podemos deducir que un motor PAP, es un dispositivo
electromecnico que convierte impulsos, elctricos en movimiento
rotacional constante y finito dependiendo de las caractersticas
propias del motor.
El modelo expuesto recibe el nombre de bipolar ya que, para
obtener la secuencia completa se requiere de corrientes de dos
polaridades, presentando circunstancias un inconveniente importante
a la hora de disear el circuito que controle a dicho motor.
La figura 5, se tiene un motor unipolar de cuatro fases, puesto
que la corriente circula por las bobinas en un nico sentido. Si
inicialmente se aplica corriente a L1 y L2, cerrando a S1 y S2, de
la figura 5, se generarn dos polos N, que atraern al polo S de M,
hasta encontrar la posicin de equilibrio entre ambos. Si se abre
posteriormente S1 si se cierra a S3, figura 5b, por la nueva
distribucin de los polos magnticos M, evolucionara hasta la
situacin representada en dicha figura.
Siguiendo la secuencia representada en (c) y (d), de la misma
forma se obtienen avances del rotor de 90 grados por la accin de
impulsos elctricos de excitacin de cada una de las bobinas. En uno
y otro caso, el movimiento obtenido ha sido en sentido contrario a
las manecillas del reloj; ahora bien, si las secuencia de excitacin
se generan en orden inverso, el rotor girar en sentido contrario,
por los
7.
que deduce que el sentido de giro en los motores PAP, es
reversible en funcin de la secuencia de excitacin y por tanto, se
puede hacer avanzar o retroceder al rotor un nmero determinado de
pasos segn las necesidades de posicionamiento.
Figura 5. Principio bsico de un motor PAP de cuatro polos.
Una forma de conseguir motores PAP, de paso ms reducido, es
aumentar el nmero de bobinas del estator, pero ello llevara a un
aumento del costo y del volumen y a prdidas muy considerables en el
rendimiento del motor, por lo que esta solucin no es viable. Hasta
ahora y para conseguir la solucin ms idnea, se recurre a la
mecanizacin de los ncleos de las bobinas y el rotor en forma
hendiduras o dientes, crendose as micropolos magnticos y
estableciendo las situaciones de equilibrio magntico con avances
angulares mucho menores, siendo posible conseguir motores de ms de
200 pasos.
Desde punto de vista de construccin, existen tres tipos de
motores paso a paso:
Imn permanente.
8.
De reluctancia variable.
Hibridos.
De imn permanente, es modelo visto anteriormente; el rotor es un
imn permanente en el que se mecanizan un nmero de dientes limitado
por su
estructura fsica. Ofrece como principal ventaja que su
posicionamiento no vara
aun sin excitacin y en rgimen de carga a la atraccin entre el
rotor y los entrehierros del estator.
De reluctancia variable; los motores de este tipo poseen un
motor de hierro dulce
que en condiciones de excitacin del estator y bajo accin de su
campo magntico, ofrece menor resistencia a ser atravesado por su
flujo en la posicin de equilibrio. Su mecanizacin es similar a los
de imn permanente y su principal
inconveniente radica en que en condiciones de reposo el rotor
queda en libertad de girar y por lo tanto, su posicionamiento en
rgimen de carga depender de su inercia y no ser posible predecir el
punto exacto de reposo.
Hibrido son combinaciones de los dos anteriores; el rotor suele
estar constituido por anillos de acero dulce dentado en un nmero
ligeramente distinto al del estator y dicho anillos montados sobre
un imn permanente dispuesto axialmente.
Desde punto de vista mecnico; es importante conocer algunas
caractersticas que se definen sobre un motor PAP:
Par dinmico o de trabajo
Par de mantenimiento.
Par detencin.
El par dinmico o de trabajo (Working Torque), depende de sus
caractersticas dinmicas y es el momento mximo que el motor es capaz
de desarrollar sin perder paso es decir, sin dejar de responder a
algn impulso de excitacin del estator y dependiendo evidentemente
de la carga.
Par de mantenimiento (Holding Torque), es el par requerido para
desviar, en rgimen de excitacin, un paso el rotor cuando la posicin
anterior es estable, es mayor que el par dinmico y acta como freno
para mantener el rotor en una posicin estable dada.
Par detencin (Par Torque), es un par de freno que; siendo propio
de los motores de imn permanente, es debido a la accin del rotor
cuando los devanados estatricos estn desactivados.
9.
Segn lo anterior, las caractersticas principales que definen a
un motor PAP son las siguientes:
Angulo de paso.
Nmero de pasos por vueltas
Frecuencia de paso mximo.
Momento de inercia.
El ngulo de paso (Step angle), avance angular producido bajo un
impulso de excitacin se expresa en grados.
El nmero de pasos por vuelta es la unidad de pasos que ha de
efectuar el rotor para realizar una revolucin completa
evidentemente
360
NP = -------------
(
Donde NP es el nmero de paso y ( es el ngulo de paso.
La frecuencia de paso mxima es el nmero de pasos por segundo que
el rotor puede efectuar obedeciendo a los impulsos de control.
El momento de inercia del motor asociado que se expresa en
gramos por centmetros cuadrados.
El par de mantenimiento, de detecin y dinmico definidos
anteriormente y expresados en miliNewton metro.
Algunas peculiaridades en rgimen de normal de trabajo:
Oscilaciones aunque el tiempo de desplazamiento entre la posicin
de equilibrio y otra consecutiva se considera constante tomando un
desplazamiento nico que se observa que partiendo de la posicin de
equilibrio con velocidad inicial nula, en el momento de la
excitacin mxima la velocidad aumenta y la aceleracin disminuye
hasta que se alcanza la siguiente posicin de equilibrio en que la
aceleracin es nula y la velocidad mxima.
Debido al efecto de inercia del rotor, este sobrepasa dicha
posicin hasta alcanzar otra velocidad nula y aceleracin negativa
produciendo una inversin de giro momentnio hasta de nuevo alcanza
una velocidad nula y aceleracin positiva, consiguiendo el reposo
absoluto.
10.
Figura 6. Oscilaciones producidas por el motor PAP.
El resultado de un movimiento oscilante amortiguado, como se
indica el figura 6a, desde la posicin 0 a la posicin 1, repitiendo
el proceso del 1 al 2, si el tiempo entre la aplicacin de los
pulsos es suficiente largo.
Si una alcanzada la posicin 1, al inicio de la oscilacin se
aplicara el siguiente pulso de excitacin, el rotor entrar en un
nuevo impulso de desplazamiento en busca de la posicin 2, segn se
indica en la figura 6b, si esta situacin se repite, el motor
entrara en el llamado rgimen de sobre velocidad estado donde se
eliminan las oscilaciones, pero en el que no es posible la inversin
de giro y la detencin brusca sin antes disminuir la velocidad.
Evidentemente, cuando dicho fenmeno se presenta se hace
necesario disponer de algn procedimiento para solucionar esos
problemas y as se recurre al:
Amortiguamiento mecnico, que emplea dispositivo de friccin, bien
sea viscosa o seca. Su principal inconveniente es reducir la
frecuencia mxima de trabajo y aadir una carga parsita.
Amortiguamiento elctrico, basado en modificar las caractersticas
de construccin, los materiales empleados o el desplazamiento de los
devanados respecto al motor.
Amortiguamiento electrnico, considerado el ms adecuado sin
apenas modificar las caractersticas par- velocidad de trabajo.
Consiste en alimentar, durante un corto perodo y simultneamente a
los dos devanados, reduciendo la velocidad del motor en las
proximidades de la posicin de equilibrio.
Tambin puede conseguirse suprimiendo momentneamente la
alimentacin de las fases excitadas en el momento en que el rotor
pasa por primera vez por la posicin de equilibrio y volvindolo
alimentar posteriormente, el rotor queda bloqueado en esa
posicin.
11.
8.4.5 MODO DE ALIMENTACION De acuerdo con sus caractersticas, la
alimentacin requiere ciertas consideraciones a tener en cuenta segn
los distintos mtodos:
A tensin fija; cuando el motor PAP, se alimenta a tensin
constante, el par decrece al aumenta la frecuencia de paso; ello es
debido al aumento de la fuerza contraelectromotriz producindose
simultneamente una prdida de potencia til por el retardo que sufre
el aumento de corriente hasta alcanzar su valor mximo.
A corriente constante; si el inconveniente anterior se trata con
un aumento de la tensin de alimentacin, la corriente de excitacin
aumentar creando problemas de disipacin de calor, llegando incluso
a la destruccin del motor. El sistema de corriente constante
mantiene la corriente media a un valor fijo, mediante
choppeador
trocedado de la corriente de entrada, conectando y
desconectando
la alimentacin. Este mtodo es muy adecuado en aplicaciones que
se requieren aceleraciones rpidas o cambios de frecuencias.
A dos niveles de tensin (Bi Level), consiste en aplicar una
tensin elevada durante los avances de paso para, una vez sacado del
reposo el rotor, al disminuir la tensin a un nivel
considerablemente ms bajo, con ello se consigue una reduccin de la
potencia disipada y un aumento del par de arranque. Este mtodo es
ideal para aquella aplicaciones donde la separacin entre el paso se
elevado, reduciendo por tanto, la potencia consumida y conserva el
para de mantenimiento.
8.4.6 MODO DE FUNCIONAMIENTO Existen dos formas bsicas de hacer
funcionar los motores paso a paso; atendiendo el avance del rotor
bajo por cada impulso de excitacin:
Paso completo (Full step), el rotor avanza una paso completo por
cada pulso de excitacin y para ello su secuencia que ha de ser la
correspondiente a la expuesta en el apartado anterior figura 5, y
representado en forma resumida en la tabla 8.1, para ambos sentidos
de giro e indicados por las X, y los interruptores que deben estar
cerrados.
Tabla 8.1. Secuencia de excitacin de un motor paso en paso
completo.
12.
Medio paso (Half step); con este modo de funcionamiento el rotor
avanza medio paso por cada pulso de excitacin, presentando como
principal ventaja una mayor revolucin de paso; ya que disminuye el
avance angular. Para conseguir tal cometido, el modo de excitacin
consiste en hacerlo alternadamente sobre dos bobinas y una de
ellas, segn se indica en la tabla 8.2 para ambos sentidos de
giro.
Tabla 8.2. Secuencia de excitacin de un motor de paso con medio
paso.
Segn la figura 5, al excitar las dos bobinas consecutivas del
estator simultneamente, el rotor se alinea con las bisetriz de
ambos campos magnticos, cuando desaparece la excitacin de una de
ellas, extinguindose el campo magntico inducido por dichas bobinas,
el rotor queda bajo la accin del nico campo existente, dando lugar
a un desplazamiento hacia a la mitad.
Sigamos por ejemplo, la secuencia presentada en la tabla 8.2b,
en el paso 1, y la excitadas bobinas L1 y L2, de la figura 5,
mediante la accin de S1 y S2, el rotor se sita en la posicin
indicada en la figura 5 a, en el paso 2, se abre con lo que
solamente permanece excitada L2, y el rotor girar hasta alinear su
polo S, con el N, generado por L2. Supuesto que este motor tenia un
paso de 90, en este caso slo ha avanzado 45 grados. Posteriormente
y en paso 3, se cierra S3, situacin representada en la figura 5b,
con lo que el rotor ha vuelto a avanzar otros 45 grados. En
definitivamente los desplazamientos son generalmente de medio
paso.
13.
8.4.7 CIRCUITO DE CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO
SEALES DE MANDO
Figura 7. Diagrama de bloques de una aplicacin del motor paso a
paso.
De lo expuesto hasta ahora, podemos deducir que un motor de paso
a paso requiere de una determinada secuencia para funcionar
correctamente, aparte de unas peculiaridades de alimentacin; sin
embargo en la mayora de las aplicaciones se pretende que un motor
de paso a paso avance pasos en funcin de una serie de pulsos de
control u rdenes de mando a razn de un pulso, un paso o un pulso
medio paso, adems de otras seales que indiquen sentido de giro,
inhibicin.
En general, el esquema de aplicacin de un motor de paso a paso
podra corresponder a la figura 7, donde se puede apreciar que las
seales de mando atacan al circuito de control, quien genera la
secuencia adecuada para excitar al motor. En muchas de las
aplicaciones, el propio circuito de control es incapaz de controlar
el nivel de corriente suficiente para gobernar el motor, en cuyo
caso se hace necesario aadir una etapas de potencia que consiga la
excitacin. El sistema o dispositivo que se desee arrastrar o
desplazar est representado por la carga mecnica acoplada de alguna
forma al rotor del motor.
Dentro de gran variedad de motores de paso a paso y circuitos
integrados de control, en la presente prctica presentamos un motor
unipolar de cuatro fases, cuyo control es factible mediante un
circuito integrado. Este circuito integrado se caracteriza,
fundamentalmente, por su simplicidad y escasa necesidad de
componentes externos representado en la figura 8, se representa en
encapsulado y el diagrama de conexiones.
.
Figura 8. Circuito integrado SAA 1027 para el control de un
motor paso.14.
Las conexiones externas que presenta este circuito integrado son
los siguientes:
Una entrada de pulso C, conectado al terminal 15.
Una entrada de sentido de giro M, conectado al terminal 3.
Una entrada de habilitacin R, conectado al terminal 2.
Cuatro salidas Q1, Q2, Q3 y Q4, para conectar a cada una de las
fases del motor.
Una entrada tpica de alimentacin de 12V, por el terminal 14 a
travs de una resistencia de 100(.
Entre los terminales 4 y la fuente se intercala una resistencia
de 270( en funcin del motor. Adems se incluyen cuatro diodos
internos, de efecto volante, conectado a cada salida para derivar
los picos de corriente que se generan al cortar la alimentacin a
cada fase.
Figura 9. Diagrama de tensiones de circuito integrado SAA
1027.
La figura 9, muestra la secuencia de salida segn las seales de
control aplicadas. En esta figura se puede apreciar que aplica una
secuencia de pulsos al terminal 13, la salida permanece inalterable
Q1 = Q3 = 0, nivel bajo, Q2 = Q4 = 1, nivel alto, mientras la
entrada R est a nivel bajo. Una vez que R se site a nivel alto. La
entrada M, determina el sentido de rotacin; en la figura 9, cuando
M, este a nivel bajo (0), el sentido de rotacin es el sentido de
las manecillas del reloj y cuando lo est a nivel alto (1), en el
sentido contrario a las manecillas del reloj. Los cambios en la
salida slo se producen cuando se presenta el flanco de subida en la
entrada C.
Las entradas de control admiten tensiones mximas de hasta 18V, y
no es estrctamente, necesario alcanzar ese nivel para que lo tome
como nivel alto,
15.
asimismo, tampoco ha de ser cero el valor de dichas entradas
para interpretarlo, como nivel bajo. De esta forma, cualquier
tensin superior a 7.5V, representar un nivel alto y cualquiera con
tensin igual o menor de 4.5V nivel bajo. La tabla 8.3 representa la
forma resumida el funcionamiento del SAA 1027.
Tabla 8.3. Funcionamiento del circuito integrado SAA 1027.
Algunas caracterstica que se deben tener en cuenta en los
motores PAP:
Los motores de cuatro bobinas requieren de una fuente de
alimentacin simple, con una sola polaridad.
Los motores que tienen dos bobinas deben de alimentarse con
fuentes bipolares y conformar un circuito en puente H, para
controlar la alimentacin de la misma.
El movimiento de los motores se consigue alimentando de manera
secuencial las bobinas y de acuerdo al orden en que esta labor se
ejecute y el giro del motor se har hacia uno u otro lado.
Si se vara el tiempo de duracin de cada pulso de la secuencia se
consigue el control de la velocidad del motor.
Una manera fcil de identificar el nmero de bobinas de un motor
paso a paso es contando el nmero de sus terminales. Si se tiene
nicamente cuatro cables es muy probable que el motor sea de cuatro
bobinas, si en cambio tiene 5, 6 y 8 cables, puede que el motor sea
de cuatro bobinas.
Identificacin de los terminales de un motor paso a paso:
Para identificar los elementos comunes en un motor, algunas
veces se acude al color de cada uno de los cables; el negro por lo
general indica el comn
Otra forma de identificar las bobinas es por medio de la
medicin
16.
de la resistencia interna de los devanados del motor.
El terminal comn siempre tendr un valor ms bajo con respecto a
los dems.
8.4.7 OPERACIN CON DOS POLARIDADES.
Figura 10. Configuracin bipolar de un motor paso a paso.
Los motores de paso a paso de dos bobinas necesitan alimentacin
de potencia de polaridad positiva y negativa. El flujo en el
estator de un motor de este tipo, de la figura 10, se invierte el
flujo cuando se invierte la corriente a travs de la bobinas. El
circuito de potencia que alimenta las bobinas deben de estar
compuesto por un puente de interruptores que permitan aplicar las
dos polaridades.
Este puente esta constituido por un arreglo de cuatro
transistores cuyo funcionamiento se explica a continuacin. Cuando
Q1 y Q4 conducen se tiene polaridad positiva en las bobinas y si Q2
y Q3 lo harn con la polaridad negativa.
En la tabla 8.4 y 8.5 se indica la secuencia de conmutacin de
las bobinas que se debe seguir para obtener el movimiento del motor
en ambos sentidos.
Tabla 8.4 y 8.5. Movimiento en sentido de las manecillas del
reloj y lo contrario.
8.4.8 17.
8.4.9 OPERACIN CON UNA SOLA POLARIDAD.Figura 11. Conexin bsica
de un motor de paso a paso de cuatro bobinas.
Muchos de estos motores de este tipo se consiguen
comercialmente, posee externamente ocho terminales y cuatro bobinas
independientes. En figura 11, se muestra esta forma en que se deben
conectar para conseguir la rotacin. All se puede apreciar que uno
de los terminales de cada bobina se est conectando a un punto comn,
que por lo regular es el positivo de la fuente de alimentacin.
Observe en la conexin anterior que los terminales provenientes
de una misma seccin estn alternados. Esta conexin tiene algunas
ventajas ya que no solamente facilita el alambrado del circuito de
control, sino tambin la realizacin del programa en
micro-controladores y microprocesadores.
Con simples instrucciones de rotacin hacia uno u otro lado, se
conseguir hacer girar el motor. Para lograr el giro del motor se
debe tener en cuenta que hay dos tipos de secuencia de pulsos para
los motores a paso a paso, segn la velocidad de la secuencia y la
carga aplicada al eje.
El denominado manejo por la ola (wave drive), donde solamente
una de las bobinas se encuentra energizada en un momento dado y
manejo de dos fases (two phase drive), donde se energizan al mismo
tiempo las dos bobinas para lograr el movimiento.
En la tabla 8.6, se observa la secuencia de las bobinas en el
motor de configuracin unipolar.
18.
Tabla 8.5. Secuencia de conmutacin de los transistores para el
motor PAP.
La figura 12, muestra ambas formas de onda para el control de
giro de un motor paso a paso. All se debe tener presente que si las
secuencias se proporcionan un orden inverso, el motor girar en
sentido contrario. Vale la pena destacar de que no existe una nica
manera de manejar los motores paso a paso, pues se pueden disear un
gran nmero de circuitos que posean diferentes configuraciones y
posiblemente cumpla la misma funcin.
Figura 12. Ondas de control para manejar un motor paso a paso de
cuatro bobinas.
En esta oportunidad se desarrolla un circuito sencillo, cuyo
diagrama esquemtico se indica en la figura 13, en el cual utilizan
transistores para controlar un motor pasos a paso de dos bobinas.
Tambin pueden usar el circuito integrado ULN2803 como driver, para
reemplazar los transistores.
19.
Figura 13. Circuito desarrollado para implementar movimiento
bsico en un motor paso a paso.
All, las seales de control de disparo de las bobinas provienen
de un circuito formado por un contador decadal 4017, el cual al
aplicrsele una serie de pulsos en uno de los terminales conmuta en
forma secuencial el estado de diez salidas (0-9). Los pulsos de
entrada al contador son originados por LM555, configurado como
pulso de reloj. El circuito ir habilitando secuencialmente las
filas de un codificador hecho con diodos rpidos 1N4148, los cuales
estn dispuestos de acuerdo a la secuencia requerida por el motor
para que se mueva en cada direccin como se indica en tabla 8.4.
Cuando se disea un sistema con motores a paso a paso se debe
tener encuenta varios factores antes de hacer la eleccin del ms
adecuado tales como:
Angulo de paso.
La vida til
El dimetro.
Capacidad de torque.
20.
Para este ultimo, es conveniente calcular el torque mximo
demandado por la aplicacin y compararlo con las especificaciones
dadas por el fabricante.
8.5. DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD NUMERO OCHO
A. PREINFORME.
1. investigar la caractersticas elctricas en DC y AC de los
integrados 4017B, ULN2803, LM555.
2. Analizar el funcionamiento de los circuitos propuestos.
3. Debe calcular los parmetros con forma el modulador de ancho
de pulso.
4. Los circuitos deben de traerlos armados en cada seccin de los
laboratorios que les sirven como preinforme y tiene un valor del
40%.
DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD.
I. Modulador de ancho de pulso.
a) Armar el circuito de la figura 3.
b) Vare el potencimetro (P1), de la figura 3, para definir los
siguientes tiempos 2.5mS, 4mS y 5mS.
c) Mida y dibuje las formas de onda en los siguientes terminales
1 y 14 del oscilador y terminal 7, del comparador:
Tiempo 2.5mS, en el terminal 1, mida V(1):______ ,terminal 14,
mida V(14):_______ , terminal 7, mida V(7):________
Tiempo 4 mS, en el terminal 1, mida V(1):______ ,terminal 14,
mida V(14):_______ , terminal 7, mida V(7):________
Tiempo 5 mS, en el terminal 1, mida V(1):______ ,terminal 14,
mida V(14):_______ , terminal 7, mida V(7):________
d) Mida y dibuje la forma de onda en el terminal del drenaje (D)
y fuente (S ) del transistor FET (IRF 521) a los siguientes
tiempos: 2.5 mS mida el voltaje VDS:_______; 4 mS mida el voltaje
VDS: ______ ; 5 ms mida el VDS: ______.
e) Mida y dibuje la forma de onda en los terminales del motor de
corriente continua: a) 2.5 mS en los terminales(+ -): ________V, b)
4 mS en los terminales V(+ -): _______ c) 5 mS en los terminales(+
-):__________V
f) Observe y comentar que se le sucede a la velocidad del motor
de corriente continua cuando se varia el tiempo.
1. Acoplar la etapa de potencia del control de disparo digital
al circuito de la figura 3.
a) 21.
b) Medir y dibujar la forma de onda entre los terminales del
TRIAC y la carga para los siguientes tiempos: 2.5 mS: a) Angulo de
disparo MT2 MT1:______ b) el Voltaje de entre MT2-MT1:______ V; c)
el voltaje en la carga VRL:_______ d) el ngulo de
conduccin:_______.
c) 4 mS: a) Angulo de disparo MT2 MT1:______ b) el voltaje de
entre MT2-MT1:______ V; c) el voltaje en la carga VRL:_______ d) el
ngulo de conduccin:_______.
d) 5 mS: a) Angulo de disparo MT2 MT1:______ b) el voltaje de
entre MT2-MT1:______ V; c) el voltaje en la carga VRL:_______ d) el
ngulo de conduccin:_______.
II. Circuito para implementar el movimiento bsico de un motor
paso a paso.
2. Con los motores paso a paso
a) Identificar las bobinas de los motores paso a paso por medio
del uso del ohmetro y cdigo de colores: a) Colores: ______________
mida con el ohmetro: ______ ( b) Colores:________ mida con el
ohmetro: ______ ( c) Colores: __________ mida con el ohmetro:
________ ( d) Colores: ________ mida con el ohmetro: ________
(.
b) Armar el circuito de la figura 10.
c) Comprobar la tabla 8.4 y 8.5, para el motor paso a paso
bipolar.
d) Observar y comentar lo que sucede con el puente de
transistores.
a) Armar el circuito de la figura 11.
b) Acoplar cada uno de los principios de la bobina del motor
paso a paso a cada uno de los colectores de los transistores Q1,
Q2, Q3 y Q4.
c) Verificar la tabla 8.6
d) Obsevar y comentar lo que sucede con los colectores de los
transistores Q1, Q2, Q3 y Q4.
e) Mida el voltaje entre los colectores - emisor VCE; Q1:
_________ Q2: _______ Q3: _____ Q4:________
a) armar el circuito para implementar movimiento bsico de un
motor paso a paso. De la figura 13.
b) Mida y dibuje las formas de onda en los terminales 3 y 6 del
LM555.
c) Mida y dibuje las formas de onda en cada una de las
resistencia de las base de los transistores R8: ______ V, R9:
______V, R10: _______ R11: ______
d) Mida los voltaje de colector emisor de Q1:______ V; Q2:_____
V; Q3:____ V; Q4:______ V.
e) Reemplace los transistores Q1, Q2, Q3 y Q4 por el circuito
integrado ULN2803, que sirve como driver al motor paso a paso.
f) Realice los mismos pasos anteriores.
22.
INFORME
1. Debe presentar:
Clculos y mediciones realizadas en los circuitos(25%)
Hacer un sntesis del funcionamiento de cada uno de los
circuitos.(25%)
Resolver las preguntas de la evaluacin.(25%)
Conclusiones generales.(25%)
EVALUACION
1. Qu significado tiene el nombre de motor paso a paso?.
2. Cules son las diferencias bsica entre el motor paso a paso de
imn permanente y otro de reluctancia variable?.
3. Razonar sobre el funcionamiento Helf- Step.
4. Enumerar cinco caso en que sea la utilidad de los motores
paso.
5. Cul es la funcin de los transistores de la figura 10 y 11
?.
6. Cules serian las ventajas que presentan los circuitos
integrado para controlar los motores paso a paso?.
7. Explicar en que consiste nmero de pasos por vuelta.
8. Cmo se identifica las caractersticas de un motor paso a
paso?.
23.
C1=0.01uF
C2=C3= 0.1uF
R1=R4=100K(
R5=47K
R6=R7=3K9
1- Diodo LED
R8=2K7
Potenciometro=100K(
1- LM 324
1- 1N4004
1- SCR
1- IRF 521 Canal N
CIRCUITO DE CONTROL
ETAPA DE POTENCIA
MOTOR
PAP
CARGA MECANICA
