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INSTITUTO TECNOLOGICO MUNICIPAL ANTONIO JOSE CAMACHO GUIAS DE LABORATORIOS DE ELECTRONCA INDUSTRIAL II TEMA 8: MODULADOR DE ANCHO DE PULSO ANALOGICO(P.W.M). 8. OBJETIVOS   

Analizar el funcionamiento de un circuito de control de potencia con un modulador de ancho de pulso analógico utilizando como elemento de disparo el SCR y el TRIAC. Observar la forma de onda cuadrada simétrica o asimétrica de un modulador de ancho de pulso analógico. Utilizar el circuito modulador de ancho de pulso analógico controlar la velocidad de los motores de corriente continua y paso a paso.

8.1 RECURSOS    

Osciloscopio Fuente de energía VDC Multimetro (análogo 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 conmutación rápida. 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 frío o pela cable Conectores (caimanes).

8.4 INFORMACION BASICA Si se controla el voltaje de salida de los convertidores monofásicos semi o completos, mediante la variación del ángulo de retraso, extinción o simétrico sólo habrá un pulso por cada medio ciclo en la corriente de entrada del convertidor, como el resultado del armónico de menor orden. Resulta difícil filtrar una corriente armónica de orden menor. En el control por modulación 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 señales de compuerta se generan comparando una onda triangular con una señal directa tal como se indica en la figura 1.

Figura 1. Control por modulación 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 máximo 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 armónicos sean eliminados. Existen varios métodos para variar el ancho del pulso, siendo el más común la modulación 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, está en fase con el voltaje de entrada Vs, y tiene dos veces la frecuencia de alimentación. 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 más eficientemente con tiristores de alta potencia, mientras los pequeños y medianos de imán permanente, son controlados más exitosamente con transistores de conmutación. 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 activación varia el voltaje y la potencia promedio de dicha carga; como por ejemplo:  Puede aumentar o disminuir la producción de calor por unidad de tiempo.  Si la carga es una bombilla puede variar su energía luminica.  Si es motor DC puede variar la potencia mecánica 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 variación lineal de la potencia suministrada a una carga mediante el cambio resistivo en la eficiencia.

3. La eficiencia en la carga es un factor crítico en cualquier sistema alternativo de energía. Una ventaja adicional de la modulación por ancho de pulso es que los pulsos producen mayor torque en un motor, al poder excitar más fácilmente las resistencias de internas del bobinado del motor. En un circuito P.W.M, pueden usarse pequeños potenciómetros 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 alimentación. 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=LED Figura 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. 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

 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 está 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 potenciómetro 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 compùerta (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 ocurriría 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. También 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 energía eléctrica en otra mecánica, cuando dicha energía mecánica se requiere en forma de movimiento rotacional , un motor es el ideal para tal conversión. Estos motores encuentran utilidad en aquellas aplicaciones que requieren posicionamientos con un grado de exactitud y una buena regulación de velocidad, presentandose como mayor inconveniente la no elevada velocidad angular o giro.

5. Sus principales aplicaciones se puede encontrar en:    

robótica Tecnología aeroespacial Gobierno de discos duros Manipulación y posicionamiento de piezas y herramientas en general.

8.4.4 DESCRIPCION BASICA. Los motores eléctricos, en general se basan su funcionamiento en las fuerzas ejercidas por un campo electromagnético y creadas al hacer circular una corriente eléctrica a través de una bobina o varias bobinas. Si dichas bobina están en forma circular se denomina estator, se mantiene en una posición mecánica y fija en su interior, bajo la influencia del campo electromagnético. Si se coloca otra bobina llamada rotor, recorrida por una corriente capaz de girar sobre su eje, esta última tenderá a buscar la posición de equilibrio magnético, es decir orientará los polos N-S, del estator respectivamente. Si por algún método, cuando el rotor alcance esa posición de equilibrio manteniendo dicha situación de manera continuada, se conseguirá un movimiento giratorio y continuo del rotor y a la vez la transformación de una energía en otra mecánica en forma de movimiento circular. Aun basado en el mismo fenómeno, el principio de funcionamiento de los motores paso a paso es más sencillo, si cabe, que el de cualquier otro tipo de motor eléctrico.

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 núcleo de hierro dulce capaz de imantarse cuando dichas bobinas sean recorridas por una corriente eléctrica. Por otra parte, el imán M, pude girar libremente sobre el eje de sujección central. Inicialmente sin aplicarle corriente a ninguna de las bobinas llamadas fases y con M, en una posición cualquiera, el imán permanecerá 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 4ª, se crearán dos polos magnéticos N, en la parte interna, bajo cuya influencia M, se desplaza hasta posición indicada en dicha figura.  Si invertimos la polaridad de la corriente que circula por L1, se obtendrá la situación magnética indica en la figura 4b, y M se verá desplazado hasta la nueva posición de equilibrio, es decir, ha girado 90º grados en sentido contrario a las manecillas del reloj.  Invertimos ahora la polaridad de la corriente en L2, se llega la situación de la figura 4c, habiendo girado el motor a otros 90º grados. Si por fin invertimos de nuevo el sentido de la corriente en L1, M, girará otros 90º grados y se habrá obtenido una revolución completa de dicho imán en cuatro pasos de 90º grados. Por tanto si se mantiene la secuencia de excitación expuesta para L1 y L2, y dichas corrientes son aplicadas en forma de pulsos, el rotor avanzará pasos de 90º grado por cada pulso aplicado. De lo anterior podemos deducir que un motor PAP, es un dispositivo electromecánico que convierte impulsos, eléctricos en movimiento rotacional constante y finito dependiendo de las características 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 diseñar 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 único sentido. Si inicialmente se aplica corriente a L1 y L2, cerrando a S1 y S2, de la figura 5ª, se generarán dos polos N, que atraerán al polo S de M, hasta encontrar la posición de equilibrio entre ambos. Si se abre posteriormente S1 si se cierra a S3, figura 5b, por la nueva distribución de los polos magnéticos M, evolucionara hasta la situación representada en dicha figura. Siguiendo la secuencia representada en (c) y (d), de la misma forma se obtienen avances del rotor de 90º grados por la acción de impulsos eléctricos de excitación 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 excitación se generan en orden inverso, el rotor girará en sentido contrario, por los 7. que deduce que el sentido de giro en los motores PAP, es reversible en función de la secuencia de excitación y por tanto, se puede hacer avanzar o retroceder al rotor un número determinado de pasos según las necesidades de posicionamiento.

Figura 5. Principio básico de un motor PAP de cuatro polos. Una forma de conseguir motores PAP, de paso más reducido, es aumentar el número de bobinas del estator, pero ello llevaría a un aumento del costo y del volumen y a pérdidas muy considerables en el rendimiento del motor, por lo que esta solución no es viable. Hasta ahora y para conseguir la solución más idónea, se recurre a la mecanización de los núcleos de las bobinas y el rotor en forma hendiduras o dientes, creándose así micropolos magnéticos y estableciendo las situaciones de equilibrio magnético con avances angulares mucho menores, siendo posible conseguir motores de más de 200 pasos.

Desde punto de vista de construcción, existen tres tipos de motores paso a paso:  Imán permanente. 8.  De reluctancia variable.  Hibridos. De imán permanente, es modelo visto anteriormente; el rotor es un imán permanente en el que se mecanizan un número de dientes limitado por su estructura física. Ofrece como principal ventaja que su posicionamiento no varía aun sin excitación y en régimen de carga a la atracción 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 excitación del estator y bajo acción de su campo magnético, ofrece menor resistencia a ser atravesado por su flujo en la posición de equilibrio. Su mecanización es similar a los de imán 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 régimen de carga dependerá de su inercia y no será 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 número ligeramente distinto al del estator y dicho anillos montados sobre un imán permanente dispuesto axialmente. Desde punto de vista mecánico; es importante conocer algunas características que se definen sobre un motor PAP:  Par dinámico o de trabajo  Par de mantenimiento.  Par detención. El par dinámico o de trabajo (Working Torque), depende de sus características dinámicas y es el momento máximo que el motor es capaz de desarrollar sin perder paso es decir, sin dejar de responder a algún impulso de excitación del estator y dependiendo evidentemente de la carga. Par de mantenimiento (Holding Torque), es el par requerido para desviar, en régimen de excitación, un paso el rotor cuando la posición anterior es estable, es mayor que el par dinámico y actúa como freno para mantener el rotor en una posición estable dada.

Par detención (Par Torque), es un par de freno que; siendo propio de los motores de imán permanente, es debido a la acción del rotor cuando los devanados estatóricos están desactivados. 9. Según lo anterior, las características principales que definen a un motor PAP son las siguientes:    

Angulo de paso. Número de pasos por vueltas Frecuencia de paso máximo. Momento de inercia.

El ángulo de paso (Step angle), avance angular producido bajo un impulso de excitación se expresa en grados. El número de pasos por vuelta es la unidad de pasos que ha de efectuar el rotor para realizar una revolución completa evidentemente 360º NP = ------------ Donde NP es el número de paso y  es el ángulo de paso. La frecuencia de paso máxima es el número 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 centímetros cuadrados. El par de mantenimiento, de deteción y dinámico definidos anteriormente y expresados en miliNewton – metro. Algunas peculiaridades en régimen de normal de trabajo: Oscilaciones aunque el tiempo de desplazamiento entre la posición de equilibrio y otra consecutiva se considera constante tomando un desplazamiento único que se observa que partiendo de la posición de equilibrio con velocidad inicial nula, en el momento de la excitación máxima la velocidad aumenta y la aceleración disminuye hasta que se alcanza la siguiente posición de equilibrio en que la aceleración es nula y la velocidad máxima.

Debido al efecto de inercia del rotor, este sobrepasa dicha posición hasta alcanzar otra velocidad nula y aceleración negativa produciendo una inversión de giro momentánio hasta de nuevo alcanza una velocidad nula y aceleración 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 posición 0 a la posición 1, repitiendo el proceso del 1 al 2, si el tiempo entre la aplicación de los pulsos es suficiente largo. Si una alcanzada la posición 1, al inicio de la oscilación se aplicara el siguiente pulso de excitación, el rotor entrará en un nuevo impulso de desplazamiento en busca de la posición 2, según se indica en la figura 6b, si esta situación se repite, el motor entraría en el llamado régimen de sobre velocidad estado donde se eliminan las oscilaciones, pero en el que no es posible la inversión de giro y la detención brusca sin antes disminuir la velocidad. Evidentemente, cuando dicho fenómeno se presenta se hace necesario disponer de algún procedimiento para solucionar esos problemas y así se recurre al:  Amortiguamiento mecánico, que emplea dispositivo de fricción, bien sea viscosa o seca. Su principal inconveniente es reducir la frecuencia máxima de trabajo y añadir una carga parásita.  Amortiguamiento eléctrico, basado en modificar las características de construcción, los materiales empleados o el desplazamiento de los devanados respecto al motor.  Amortiguamiento electrónico, considerado el más adecuado sin apenas modificar las características par- velocidad de trabajo. Consiste en alimentar, durante un corto período y simultáneamente a los dos

devanados, reduciendo la velocidad del motor en las proximidades de la posición de equilibrio.  También puede conseguirse suprimiendo momentáneamente la alimentación de las fases excitadas en el momento en que el rotor pasa por primera vez por la posición de equilibrio y volviéndolo alimentar posteriormente, el rotor queda bloqueado en esa posición. 11. 8.4.5 MODO DE ALIMENTACION De acuerdo con sus características, la alimentación requiere ciertas consideraciones a tener en cuenta según los distintos métodos:  A tensión fija; cuando el motor PAP, se alimenta a tensión constante, el par decrece al aumenta la frecuencia de paso; ello es debido al aumento de la fuerza contraelectromotriz produciéndose simultáneamente una pérdida de potencia útil por el retardo que sufre el aumento de corriente hasta alcanzar su valor máximo.  A corriente constante; si el inconveniente anterior se trata con un aumento de la tensión de alimentación, la corriente de excitación aumentará creando problemas de disipación de calor, llegando incluso a la destrucción 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 alimentación. Este método es muy adecuado en aplicaciones que se requieren aceleraciones rápidas o cambios de frecuencias.  A dos niveles de tensión (Bi Level), consiste en aplicar una tensión elevada durante los avances de paso para, una vez sacado del reposo el rotor, al disminuir la tensión a un nivel considerablemente más bajo, con ello se consigue una reducción de la potencia disipada y un aumento del par de arranque. Este método es ideal para aquella aplicaciones donde la separación 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 básicas de hacer funcionar los motores paso a paso; atendiendo el avance del rotor bajo por cada impulso de excitación:  Paso completo (Full step), el rotor avanza una paso completo por cada pulso de excitación 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 excitación 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 excitación, presentando como principal ventaja una mayor revolución de paso; ya que disminuye el avance angular. Para conseguir tal cometido, el modo de excitación consiste en hacerlo alternadamente sobre dos bobinas y una de ellas, según se indica en la tabla 8.2 para ambos sentidos de giro.

Tabla 8.2. Secuencia de excitación de un motor de paso con medio paso. Según la figura 5, al excitar las dos bobinas consecutivas del estator simultáneamente, el rotor se alinea con las bisetriz de ambos campos magnéticos, cuando desaparece la excitación de una de ellas, extinguiéndose el campo magnético inducido por dichas bobinas, el rotor queda bajo la acción del único 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 acción de S1 y S2, el rotor se sitúa en la posición indicada en la figura 5 a, en el paso 2, se abre con lo que solamente permanece excitada L2, y el rotor girará hasta alinear su polo S, con el N, generado por L2. Supuesto que este motor tenia un paso de 90º, en este caso

sólo ha avanzado 45º grados. Posteriormente y en paso 3, se cierra S3, situación representada en la figura 5b, con lo que el rotor ha vuelto a avanzar otros 45º grados. En definitivamente los desplazamientos son generalmente de medio paso. 13. 8.4.7 CIRCUITO DE CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO SEÑALES DE MANDO

CIRCUITO DE

ETAPA DE POTENCIA

MOTOR PAP

CARGA MECANIC

Figura 7. Diagrama de bloques de una aplicación 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 alimentación; sin embargo en la mayoría de las aplicaciones se pretende que un motor de paso a paso avance pasos en función de una serie de pulsos de control u órdenes de mando a razón de un pulso, un paso o un pulso medio paso, además de otras señales que indiquen sentido de giro, inhibición. En general, el esquema de aplicación de un motor de paso a paso podría corresponder a la figura 7, donde se puede apreciar que las señales 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 añadir una etapas de potencia que consiga la excitación. El sistema o dispositivo que se desee arrastrar o desplazar está representado por la carga mecánica 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 práctica 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 habilitación R, conectado al terminal 2. Cuatro salidas Q1, Q2, Q3 y Q4, para conectar a cada una de las fases del motor.  Una entrada típica de alimentación de 12V, por el terminal 14 a través de una resistencia de 100.    

Entre los terminales 4 y la fuente se intercala una resistencia de 270  en función del motor. Además se incluyen cuatro diodos internos, de efecto volante, conectado a cada salida para derivar los picos de corriente que se generan al cortar la alimentación a cada fase.

Figura 9. Diagrama de tensiones de circuito integrado SAA 1027. La figura 9, muestra la secuencia de salida según las señales 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 esté a nivel bajo. Una vez que R se sitúe a nivel alto. La entrada M, determina el sentido de rotación; en la figura 9, cuando M, este a nivel bajo (0), el sentido de rotación es el sentido de las manecillas del reloj y cuando lo esté a nivel alto (1), en el sentido contrario a las manecillas del reloj. Los cambios en la salida sólo se producen cuando se presenta el flanco de subida en la entrada C.

Las entradas de control admiten tensiones máximas de hasta 18V, y no es estríctamente, 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 tensión superior a 7.5V, representará un nivel alto y cualquiera con tensión 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 característica que se deben tener en cuenta en los motores PAP:  Los motores de cuatro bobinas requieren de una fuente de alimentación 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 alimentación 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 hará hacia uno u otro lado.  Si se varía el tiempo de duración de cada pulso de la secuencia se consigue el control de la velocidad del motor.  Una manera fácil de identificar el número de bobinas de un motor paso a paso es contando el número de sus terminales. Si se tiene únicamente 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. Identificación 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 común  Otra forma de identificar las bobinas es por medio de la medición 16 16. de la resistencia interna de los devanados del motor.  El terminal común siempre tendrá un valor más bajo con respecto a los demás. 8.4.7 OPERACIÓN CON DOS POLARIDADES.

Figura 10. Configuración bipolar de un motor paso a paso. Los motores de paso a paso de dos bobinas necesitan alimentación 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 través 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 continuación. Cuando Q1 y Q4 conducen se tiene polaridad positiva en las bobinas y si Q2 y Q3 lo harán con la polaridad negativa. En la tabla 8.4 y 8.5 se indica la secuencia de conmutación 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. 17. 8.4.8 OPERACIÓN CON UNA SOLA POLARIDAD.

Figura 11. Conexión básica 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 rotación. Allí se puede apreciar que uno de los terminales de cada bobina se está conectando a un punto común, que por lo regular es el positivo de la fuente de alimentación. Observe en la conexión anterior que los terminales provenientes de una misma sección están alternados. Esta conexión tiene algunas ventajas ya que no solamente facilita el alambrado del circuito de control, sino también la realización del programa en micro-controladores y microprocesadores. Con simples instrucciones de rotación hacia uno u otro lado, se conseguirá 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, según 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 configuración unipolar.

18.

Tabla 8.5. Secuencia de conmutación 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. Allí se debe tener presente que si las secuencias se proporcionan un orden inverso, el motor girará en sentido contrario. Vale la pena destacar de que no existe una única manera de manejar los motores paso a paso, pues se pueden diseñar un gran número de circuitos que posean diferentes configuraciones y posiblemente cumpla la misma función.

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 esquemático se indica en la figura 13, en el cual utilizan transistores para controlar un motor pasos a paso de dos bobinas. También pueden usar el circuito integrado ULN2803 como driver, para reemplazar los transistores.

19.

Figura 13. Circuito desarrollado para implementar movimiento básico en un motor paso a paso. Allí, las señales de control de disparo de las bobinas provienen de un circuito formado por un contador decadal 4017, el cual al aplicársele 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 irá habilitando secuencialmente las filas de un codificador hecho con diodos rápidos 1N4148, los cuales están dispuestos de acuerdo a la secuencia requerida por el motor para que se mueva en cada dirección como se indica en tabla 8.4. Cuando se diseña un sistema con motores a paso a paso se debe tener encuenta varios factores antes de hacer la elección del más adecuado tales como:    

Angulo de paso. La vida útil El diámetro. Capacidad de torque.

20. Para este ultimo, es conveniente calcular el torque máximo demandado por la aplicación y compararlo con las especificaciones dadas por el fabricante. 8.5.

DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD NUMERO OCHO

A. PREINFORME. 1. investigar la características eléctricas en DC y AC de los integrados 4017B, ULN2803, LM555. 2. Analizar el funcionamiento de los circuitos propuestos. 3. Debe calcular los parámetros con forma el modulador de ancho de pulso. 4. Los circuitos deben de traerlos armados en cada sección de los laboratorios que les sirven como preinforme y tiene un valor del 40%. DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD. I.

Modulador de ancho de pulso.

1. Armar el circuito de la figura 3. a) Varíe el potenciómetro (P1), de la figura 3, para definir los siguientes tiempos 2.5mS, 4mS y 5mS. b) 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):________ c) 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: ______. d) 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 e) Observe y comentar que se le sucede a la velocidad del motor de corriente continua cuando se varia el tiempo.

2. Acoplar la etapa de potencia del control de disparo digital al circuito de la figura 3. 21. a) 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 ángulo de conducción:_______. b) 4 mS: a) Angulo de disparo MT2 – MT1:______ b) el voltaje de entre MT2MT1:______ V; c) el voltaje en la carga VRL:_______ d) el ángulo de conducción:_______. c) 5 mS: a) Angulo de disparo MT2 – MT1:______ b) el voltaje de entre MT2MT1:______ V; c) el voltaje en la carga VRL:_______ d) el ángulo de conducción:_______. II.

Circuito para implementar el movimiento básico de un motor paso a paso.

3. Con los motores paso a paso a) Identificar las bobinas de los motores paso a paso por medio del uso del ohmetro y código 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. 4. Armar el circuito de la figura 11. a) 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. b) Verificar la tabla 8.6 c) Obsevar y comentar lo que sucede con los colectores de los transistores Q1, Q2, Q3 y Q4. d) Mida el voltaje entre los colectores - emisor VCE; Q1: _________ Q2: _______ Q3: _____ Q4:________ 5. armar el circuito para implementar movimiento básico de un motor paso a paso. De la figura 13. a) Mida y dibuje las formas de onda en los terminales 3 y 6 del LM555. b) 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: ______ c) Mida los voltaje de colector – emisor de Q1:______ V; Q2:_____ V; Q3:____ V; Q4:______ V. d) Reemplace los transistores Q1, Q2, Q3 y Q4 por el circuito integrado ULN2803, que sirve como driver al motor paso a paso.

e) Realice los mismos pasos anteriores. 22. INFORME 1. Debe presentar:  Cálculos y mediciones realizadas en los circuitos(25%)  Hacer un síntesis del funcionamiento de cada uno de los circuitos.(25%)  Resolver las preguntas de la evaluación.(25%)  Conclusiones generales.(25%) EVALUACION 1. ¿Qué significado tiene el nombre de motor paso a paso?. 2. ¿Cuáles son las diferencias básica entre el motor paso a paso de imán 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. ¿Cuál es la función de los transistores de la figura 10 y 11 ?. 6. ¿Cuáles serian las ventajas que presentan los circuitos integrado para controlar los motores paso a paso?. 7. Explicar en que consiste número de pasos por vuelta. 8. ¿Cómo se identifica las características de un motor paso a paso?.

23.