Control del giro de la flecha de un motor de corriente directa, empleando el puente H

Transcripción

1 Control del giro de la flecha de un motor de corriente directa, empleando el puente H Objetivos Comprender el funcionamiento del puente H, mediante la utilización de herramientas de simulación, cuando se consideran las opciones de relevador y de transistores. Empleando circuitos integrados, implementar la configuración del puente H para controlar el sentido de giro de un motor de corriente directa. Marco Teórico Para invertir el sentido de giro de un motor de corriente continua es necesario conmutar la polaridad del voltaje aplicado a las terminales de sus bobinas, tal y como se muestra en la Fig. 1. Figura 1. a) Giro a la derecha y b) Giro a la izquierda. Como se observa, esta técnica es impráctica en términos de una aplicación industrial, debido a que existen muchas ocasiones en las cuales la inversión debe de realizarse lo más inmediato posible. Una forma de resolver, de manera parcial, la situación, se pone de manifiesto con el arreglo presentado en la Fig. 2. Fig. 2 Arreglo en H para conmutar el giro, empleando cuatro interruptores, o botones. 1

2 El arreglo de la Fig. 2 opera como sigue: si se oprimen simultáneamente B1 y B4, y sólo ellos dos, el motor gira hacia la derecha ; si se oprimen simultáneamente B2 y B3, y sólo ellos dos, el motor gira hacia la izquierda ; bajo cualquier circunstancia no estará permitido oprimir, simultáneamente, a B1 y B3 ó B2 y B4 ya que esto causa cortocircuito directo entre Vcc y referencia, esta situación es conocida como shoot-through ; en el caso de que la flecha del motor se encuentre en movimiento será suficiente con liberar, o soltar, cualquiera de los dos botones, de los pares B1 y B4 ó B2 y B3 para que la flecha llegue a reposo de manera inercial. Si se desea obtener un alto total de manera rápida se puede oprimir, simultáneamente, los pares B1 y B2 ó B3 y B4. Definitivamente, aunque ese arreglo resulta más apropiado que el mostrado en la Fig. 1, posee la gran desventaja de potenciales problemas con los cortocircuitos, que pueden ser ejecutados de manera accidental o por desconocimiento de la operación del conjunto de botones. Una alternativa para construir un puente H es mediante dispositivos electromecánicos, como lo es el relevador. Su arreglo se muestra en la Fig. 3 Fig 3. Esquema de puente H con relevadores. Comparado con el anterior, el arreglo con relevadores presenta las ventajas de haber eliminado el cortocircuito, así como una menor cantidad de interruptores, o botones, para controlar el sentido del giro. La disposición muestra una fuente de entrada de 5Vcc para controlar la alimentación a las bobinas de los relevadores, mediante B1 o B2. Así mismo, mediante una segunda fuente se suministra la energía a la carga. Para poner a girar la flecha es necesario oprimir sólo uno de los botones, siendo B1 el comando para el giro a la derecha y B2 para la izquierda ; para detenerla, simplemente se suelta el botón correspondiente, o en caso contrario, sin liberar el primero de los botones, se puede oprimir el segundo de ellos. Cualquiera de estas dos posibilidades llevaría a una parada rápida ya que las terminales de las bobinas quedarían polarizadas al mismo potencial. Como inconvenientes se destacan su necesidad de utilizar dos fuentes para su operación, así como su relativa lentitud en la conmutación, su desgaste mecánico, el ruido electrónico que generan y el hecho de que ocupan demasiado espacio. 2

3 Como una tercera opción se cuenta con el diseño del puente-h empelando transistores. Las opciones más populares son los BJT y los Darlington, ya que estos cuentan con la propiedad de ser robustos y sencillos para controlar. Como una desventaja se cuenta la baja potencia con la que pueden operar y el exceso de calor producido durante su funcionamiento. Sin embargo su utilidad es amplia en el ramo de productos o dispositivos de pequeña escala, como en los robots de juguete. La Fig 4. Muestra un arreglo de puente H empleando transistores NPN y PNP, simultáneamente. Fig. 4. Puente H empleando transistores. La explicación del circuito de la Fig 4. se describe a continuación: en condiciones iniciales, B1 y B2 están abiertos y M1 se encuentra en reposo; si se oprime B1 se forma un cortocircuito entre V CC Q 3 M 1 Q 2 Referencia, produciéndose el giro del motor en sentido derecha. En el caso de oprimir B2 el cortocircuito será vía V CC Q 4 M 1 Q 1 Referencia. En el caso de mantener oprimidos, simultáneamente a B1 y B2 los dos extremos de M1 estarán conectados a referencia, produciéndose una parada rápida, en caso de que estuviese en movimiento. Como una última opción presentada en este documento, y seguramente la más eficiente, se cuenta con los circuitos integrados, sobre todo considerando aplicaciones de baja a mediana potencia. Algunos ejemplos de estos dispositivos electrónicos son los identificados como L293, y si se desea un poco de más potencia se cuenta con el elemento L298. En la literatura o en la información de los diferentes fabricantes se podrá encontrar una variedad amplia de opciones, dependiendo de los requerimientos de diseño y 3

4 aplicación. De manera específica, a manera de ejemplo, en este documento se utilizará el L293. Un esquema de conexión puede ser visto en la imagen de la Fig. 5. Para más detalles técnicos y operación el lector debe de consultar la hoja de datos correspondiente. La forma de control de giro se describe en la tabla que se observa en la misma figura. EN 1A 2A Función H L H Giro a la derecha H H L Giro a la izquierda H L L Parada rápida H H H Parada rápida L X X Parada rápida L: Bajo; H: Alto; X: No importa. Fig. 5. Fotografía, diagrama esquemático y tabla de operación para el control de giro del L293D. Actividad previa Consulte la hoja de datos del circuito integrado L293D y obtenga de ella las características de potencia, así como los niveles de voltaje para la operación del puente H. Mediante simulación, analice el circuito de la Fig 4. para entender con toda claridad la operación del mismo. Utilizando un motor de CD con voltaje de alimentación de 5 a 10 volts, obtenga el consumo de corriente a rotor bloqueado. Preguntas de reflexión Es posible construir un puente H con sólo transistores NPN? Justifique su respuesta y, en caso afirmativo, muestre el diagrama correspondiente. Será posible implementar dos puentes H con el L293D simultáneamente en su modo de inversión de giro? Explique en cualquier caso. Cuál es la función de los diodos del circuito de la Fig. 4? Material Protoboard Circuito integrado (CI) L293D Motor de CD a Vcc. Multímetro Diodos. Botones pulsadores 4

5 Actividades Arme el circuito mostrado en la hoja de datos del CI L293D. Ver Fig. 5, de tal manera que a 1A y 2A lleguen 5 volts y Vcc2 sea de Vcc según el motor seleccionado. Verifique, con los botones pulsadores, tanto los sentidos de giro como las paradas rápidas. Haga las anotaciones del voltaje que llega a las terminales del motor, en cada una de las situaciones de giro y de parada rápida. Actividad complementaria Utilice un simulador para representar el circuito armado y haga un comparativo entre los dos experimentos. Conclusiones A partir de la actividad complementaria concluya sobre las diferencias observadas de ambos experimentos. Explique conceptualmente el porqué de ellas. Bibliografía Floyd, T., Digital Fundamentals, 8th edition, Prentice Hall, New Jersey, Maloney, T., Electrónica Industrial Moderna, 3a ed., Prentice Hall, México, Mano, M., Digital Design, Third Edition, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 2002 Nelson, P., Nagle H., Carroll D., and Irwin J., Digital Logic Analysis and Design, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, Roth, C., Fundamentals of Logic Design, 5th edition, Thomson Brooks/Cole, Belmont CA, Tocci J., Widmer S., Sistemas Digitales, principios y aplicaciones, Octava edición, Naucalpan de Juárez, México, Wakerly F., Diseño Digital y Prácticas, Prentice Hall, Naucalpan de Juárez, México,