Control de giro de un motor DC mediante lógica transistor a transistor Puente, María Alejandra. Saavedra, Santiago. Departamento de de Auto Automá máti tica ca y Elec Electr trón ónic ica a Universidad Autónoma de Occidente
Cali, C olombia olombia Diseño, simulación e implementación de un sistema R esumen esumen — Diseño, para el control del sentido de giro de un motor DC mediante compuertas lógicas transistorizadas, que permita que el motor g ire a su máxima velocidad y se detenga de forma libre dependiendo de la configuración de dos interruptores. Además, el sistema cuenta con diodos LED que indican el sentido de giro o el freno del motor.
circuito con lógica TTL (transistor a transistor) para el movimiento del motor respectivamente. respectivamente. II. OBJETIVOS Primer objetivo: comparar por medio de los datos teóricos, la
NTRODUCCIÓN I. I NTRODUCCIÓN El transistor es un dispositivo que contiene tres terminales y dos diodos PN las cuales forman un transistor de unión bipolar. Existen dos tipos de transistores BJT, el NPN en el cual el colector debe ser positivo respecto a la base y el PNP P NP en el cual el colector debe ser negativo con respecto a la base. Las partes correspondientes a los tres terminales se denominan de acuerdo a la función que realizan. El emisor se encarga de emitir los electrones libres hacia el interior de la base, por medio de la base se controla el paso de electrones que van desde el emisor hacia el colector, esta se encuentra ubicada en medio del emisor y el colector y el colector tiene la función de recibir los electrones libres que le llegan por medio de la base. Un transistor funciona como buen amplificador y posee la capacidad de producir ganancias de potencia, no obstante, las aplicaciones que tiene y las formas en las que puede ser utilizado, son muchas.
Una aplicación importante es la de compuertas lógicas, las cuales consisten en un circuito que se encarga de realizar operaciones de procesamiento de información específica completamente lógica por medio de un conjunto de funciones de Boole [1]. Hay diferentes compuertas lógicas con sus respectivas tablas de verdad, en el caso del laboratorio se hará uso de la NAND transistorizada la cual se alimenta con una tensión de 5 o 6 V y genera una respuesta del circuito con pulsos negativos de tensión. En la presente práctica de laboratorio, se propondrá un diseño de giro de un motor por medio de compuertas transistorizadas que sean capaces de controlar el movimiento en ambos sentidos y la velocidad máxima del motor. Se utilizarán además transistores, switch pulsadores y LEDs los cuales trabajarán en conjunto formando un sistema de interruptores de entrada y un
simulación y el diseño implementado cada uno de los valores que proporcionan con respecto a tensión eléctrica, corriente y potencia. Segund Segundo o obje objettivo: ivo: conocer el manejo y las funciones de los
transistores NPN y PNP en corte y saturación. Tercer objetivo: analizar e identificar las distintas fallas que
puede tener el diseño implementado. implementado. Cuarto objetivo: implementar un diseño con lógica TTL para
evitar que el motor se dañe con la configuración cerrado-cerrado (freno brusco). Quinto Qui nto obj obj etivo: generar un diseño que con los respectivos
materiales permita el giro del motor a su máxima velocidad en el sentido deseado. III. MARCO TEÓRICO A continuación, se muestra la investigación previa que fue necesaria para la correcta realización de la práctica. Transistor
Es un dispositivo electrónico basado en la unión de semiconductores que controla el flujo de corriente o de tensión capaz de realizar la amplificación de tensión. El transistor posee tres zonas fundamentales, emisor, base y colector. Se compone de dos diodos uno entre base y emisor y el otro entre base y colector. El transistor trabaja en tres zonas relevantes como: saturación, corte y activa. Hay dos tipos de transistores NPN y PNP; en el NPN la flecha indica que el sentido de la corriente sale del colector hacia el emisor y en el PNP la flecha entra del emisor al colector.
Se utilizó el transistor bipolar NPN 2N2222 el cual ayuda a la amplificación y la conmutación de circuitos y los transistores TIP 31 y TIP 32 con mayor capacidad debido al material con el cual se encuentran hechos.
TABLA II TABLA DE VERDAD COMPUERTA AND
Interruptores
Son dispositivos que se encargan de controlar el paso de corriente eléctrica en un circuito, si se interrumpe o se continua; en el circuito se utilizaron interruptores pulsadores para controlar el sentido de giro del motor por medio de la combinación del estado de los interruptores de los cuales provienen señales de 5V/0V. Para la compuerta AND se utilizó un diseño recurrente.
Compuertas lógicas
Son circuitos capaces de generar operaciones lógicas básicas por medio de una función booleana. Las puertas lógicas se encuentran hechas con transistores y se encargan de operar con dos estados lógicos en los cuales es alto o bajo, 1 ó 0. Las compuertas utilizadas en la práctica fueron la NAND y la AND, cuyas tablas de verdad se muestra a continuación. TABLA I TABLA DE VERDAD COMPUERTA NAND
Fig. 2 Compuerta AND transistorizada
Puente H
Para la compuerta NAND, se utilizó el diseño transistorizado de la SN74LS00 encontrado en el datasheet del fabricante Texas Instruments
Es un circuito electrónico que permite controlar el sentido de giro de un motor y aplicar las opciones de avanzar o retroceder. El puente H se puede construir a partir de componentes de switcheo como transistores. Para controlar el sentido de giro del motor se tienen en cuenta los niveles de tensión entre los puntos en los cuales se va a dar avance al motor o retroceso, así como la corriente que fluirá a través de dichos puntos. Al igual que las compuertas lógicas, un puente H presenta una tabla de verdad la cual describe el comportamiento del motor. TABLA III TABLA DE VERDAD PUENTE H
Fig. 1 SN74LS00 transistorizada, Texas Instruments
Regulador de tensión
Es un dispositivo electrónico que se encarga de generar una tensión estable para realizar la alimentación de circuitos partiendo de una fuente de alimentación de entrada.
Para la práctica, se planteó el diseño de un circuito que permita controlar el sentido de giro de un motor DC de 12V mediante señales de 5V y 0V provenientes de dos interruptores (S1 y S2). La dirección del giro estaba determinada por el estado de los interruptores como se muestra en la siguiente tabla. TABLA IV COMBINACIÓN DE ESTADOS Y SENTIDO DEL MOTOR
Fig. 3 Regulador de tensión
Motor DC
Un motor consiste en un dispositivo capaz de transformar la energía eléctrica en mecánica generando movimiento. Su funcionamiento se basa en la repulsión que generan los polos magnéticos de un imán permanente cuando se produce la interacción con los polos magnéticos de un electroimán el cual está en un eje. Al electroimán se le designa el nombre de rotor en el cual su eje le permite realizar los giros de forma libre entre los polos magnéticos del imán. El sentido de rotación de un motor está determinado por la forma en la que la corriente fluye a través de sus terminales.
Además, para evitar el daño del motor por la configuración cerrado-cerrado (freno brusco), se requirió la implementación de un circuito con lógica TTL que accione un transistor para que impida el paso de corriente al circuito encargado de controlar el sentido de giro. Utilizando como referencia el diagrama establecido en la guía asignada, así como la investigación pertinente, se propuso el siguiente diagrama de bloques.
Resistencias pull-down
Resistencias utilizadas en circuitos lógicos que trabajan en dos estados conocidos como HIGH y LOW (generalmente 5 y 0V de manera respectiva), como en el caso de las compuertas lógicas. Estas resistencias son ubicadas entre la salida del circuito y tierra, con el fin de que cuando el interruptor se encuentre abierto, la corriente proveniente de la fuente de alimentación, fluya hacia tierra y no hacia la salida o carga conectada a la compuerta. Por el contrario, cuando el interruptor esté cerrado, la corriente fluirá hacia la salida. De esta forma, se evitan estados intermedios que interfieran con el funcionamiento lógico adecuado de la compuerta. Generalmente se eligen valores de resistencia pull-down lo suficientemente grandes o pequeños como para no influir en el funcionamiento normal de la compuerta.
Fig. 4 Diagrama de bloques
Posteriormente, se procedió a diseñar el diagrama eléctrico/electrónico del circuito que cumpliera con el funcionamiento del diagrama de bloques anterior.
IV. MATERIALES Y MÉTODOS Para la presente práctica, se utilizaron los siguientes materiales y equipos: Resistencias Motor Transistores 2N2222, TIP31, TIP32 Regulador de tensión a 5V DC Diodos LED Cables Protoboard Multímetro Pelacables Switch pulsador Fuente DC
Fig. 5 Diagrama eléctrico/electrónico
En el diagrama es posible observar una fuente de 12V DC conectada a un regulador de tensión encargado de mantener la
tensión de entrada y salida de los interruptores en un valor constante de 5V; conectados al regulador, se encuentran los interruptores S1 y S2 encargados de controlar el paso de corriente hacia el resto del circuito. Como se mostró en el diagrama de bloques, los interruptores están conectados a tres salidas: el puente H el cual determina el sentido de giro del motor y enciende los LEDs verde y azul respectivamente; la compuerta NAND encargada de hacer que el transistor conectado a su salida entre en corte o saturación dependiendo de la configuración de los interruptores, y de esta forma regule el paso de corriente a través del puente H; y la compuerta AND encargada de encender el led rojo cuando ambos interruptores estén cerrados. Los valores asignados a las resistencias fueron determinados en base a cálculos teóricos y a las especificaciones del fabricante de la referencia de compuerta NAND utilizada. En primer lugar, se midió la corriente consumida por el motor al ser alimentado directamente con 12V DC, es decir, la corriente necesaria para que el motor gire a su máxima velocidad. La medición obtenida fue de 0,068A (68mA).
= 12 , 7 = 11,3 = 5 =
5 0,7 1
= 4,3
= (10)(4,3) = 430 =
11,3 430
= 26,23 ≌ 27Ω
Posteriormente, se calcularon las resistencias de protección de los LEDs teniendo en cuenta una tensión entre los colectores de los cuatro transistores centrales de 10,6V debido a las caídas de tensión de 1,4V de los dos transistores que funcionan durante cada sentido de giro, la tensión de 3,2V consumida por los LEDs verde y azul, y la corriente necesaria de dichos LEDs de 20mA. = 12 1,4 = 10,6 −− =
10,6 3,2 20
= 370Ω
Compuerta NAND
Para la compuerta NAND se mantuvieron los valores propuestos por el diseño transistorizado del fabricante elegido, debido a que dicha compuerta maneja tensiones de hasta 5V, iguales a las tensiones de salida de los interruptores. Adicionalmente, se eligieron resistencias de pull-down de 500Ω para el debido funcionamiento de la compuerta como se
mencionó previamente. Fig. 6 Corriente máxima del motor
Utilizando la corriente máxima del motor como referencia, se procedió a calcular los valores necesarios para cada componente del circuito.
Compuerta AND
Para la compuerta AND se eligieron resistencias de base R B para los transistores de entrada de 1kΩ y se eligió un valor de resistencia de pull- down de 500Ω.
Puente H
La alimentación de 12V del puente H está conectada directamente a los emisores de dos transistores TIP32, cuyas bases están a su vez conectadas a los colectores de dos transistores TIP31, los cuales regularán el paso de corriente hacia los transistores inferiores y de ahí, a tierra en el sentido deseado de giro del motor. Por ello, es necesario que los transistores TIP31 entren en saturación al recibir una corriente de base desde los interruptores. Para una saturación fuerte que permita el paso de la máxima corriente requerida por el motor, se elige un beta o una ganancia de 10 para los transistores TIP31. Analizando dichos transistores se tiene una tensión de polarización de colector V CC de 11,3V (debido al consumo del diodo del TIP32), una tensión de polarización de base V BB de 5V (provenientes del interruptor) y una resistencia de base R B asumida de 1kΩ.
= 10
Por otro lado, se calculó una resistencia de protección para el LED rojo considerando el consumo de 1,4V de los diodos de ambos transistores, y los 2V que consume generalmente un LED de dicho color. − =
5 2 1,4 20
= 80
Potencia del motor
También fue pertinente calcular la potencia consumida por el motor para de esa forma, elegir los componentes adecuados que soportaran dicha potencia. = (68)(12) = 816
Debido a que transistores convencionales como el 2N2222 (NPN) y el 2N3906 (PNP) soportan potencias de hasta
625mW, fue necesario utilizar transistores más robustos como el TIP31 (NPN) y el TIP32 (PNP), capaces de soportar hasta 40W. V. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Los resultados obtenidos durante el montaje y la implementación del circuito, se muestran a continuación.
Para la configuración cerrado-cerrado, gracias a la compuerta NAND, el transistor conectado a su salida, entra en corte y se abre la conexión a tierra del puente H, impidiendo el paso de corriente a través de él, por lo que se obtiene una tensión de 0V y una corriente de 0mA en los terminales anteriormente mencionados. Además, la compuerta AND permite que se encienda el LED rojo.
A. Simulación Debido a que la corriente máxima consumida por el motor fue utilizada como referencia para el análisis teórico a partir del cual se determinaron los valores de los componentes del circuito, se midió la corriente máxima del motor DC de 12V incluido en el software de simulación Proteus, de la misma forma que se midió la corriente experimentalmente. La corriente obtenida fue de 1A (1000mA).
Fig. 9 Simulación, configuración cerrado-cerrado Fig. 7 Corriente máxima motor DC en Proteus
Para las configuraciones cerrado-abierto de los interruptores, se obtuvieron mediciones de 10,4V y 864mA entre los colectores de los transistores PNP del puente H, es decir, donde se da la conexión del motor y los LEDs verde y azul, por lo que el motor gira a una velocidad cercana a la máxima, en el sentido indicado y se enciende el LED respectivo.
Fig. 8 Simulación, configuración cerrado-abierto
También se realizó una medición entre los interruptores y tierra con el fin de comprobar que se estaban dando las salidas correctas. Se obtuvieron 5V con los interruptores cerrados y 0,4V con los interruptores abiertos.
Fig. 10 Simulación, medición salida de interruptores
B. Implementación
La implementación del diseño inicialmente propuesto se muestra a continuación.
Fig. 11 Diseño implementado
Al igual que en la simulación, se realizó la medición de corriente y tensión en el centro del puente H para cada configuración de los interruptores. Se obtuvo una corriente de 57,5mA para el giro hacia la izquierda y 59,7mA para el giro hacia la derecha cada sentido de giro y 0mA para la configuración cerrado-cerrado, garantizando un freno libre que evita el posible daño.
Fig. 12 Implementación, medición de corriente para cada configuración
Las mediciones de tensión obtenidas fueron de 10,84V para el giro hacia la izquierda (S1 cerrado, S2 abierto), 10,83V para el giro hacia la derecha (S1 abierto, S2 cerrado) y de 0V para la configuración cerrado-cerrado.
Fig. 14 Implementación, medición de tensión de salida de los interruptores
C. Comparación
Los valores mencionados anteriormente obtenidos de forma teórica (T), por simulación (S) y por implementación (I). TABLA V COMPARACIÓN DE VALORES OBTENIDOS
Fig. 13 Implementación, medición de tensión para cada configuración
Por último, se midieron las tensiones de salida de los interruptores en la configuración cerrado-abierto. Se obtuvieron 4,96V en la salida del interruptor S1 y 5,04V en la salida del interruptor S2.
Configuración Corriente giro izq. Corriente giro der. Corriente Motor cerradocerrado Tensión giro izq. Tensión giro der. Tensión S1 cerrado Tensión Interruptor S2 cerrado Tensión cerradocerrado
T
S
I
1A/68mA
864mA
57,5mA
1A/68mA
864mA
59,7mA
0mA
0mA
0mA
10,6V
10,4V
10,84V
10,6V
10,4V
10,83V
5V
5V
4,96V
5V
5V
5,04V
0V
0,4V
0V
Es pertinente mencionar que, en los valores teóricos de corriente de giro del motor, se incluyó tanto el valor de simulación (1A), como el medido (68mA).
VI. CONCLUSIONES
El cálculo de la potencia consumida por los componentes del circuito es clave para evitar posibles daños a la hora de implementar el diseño propuesto. En la presente práctica, el alto consumo de potencia del motor (816mW), implicó la necesidad de utilizar transistores capaces de resistir altas potencias como lo son el TIP31 y el TIP32. Al comparar los valores obtenidos mediante el análisis teórico, la simulación y la implementación del diseño, fue posible observar gran similitud entre dichas mediciones. El motor recibe una corriente de 57,5mA para el giro hacia la izquierda y de 59,7mA para el giro hacia la derecha, muy cercana a la medida como corriente máxima (68mA) que garantiza que éste gire a su máxima velocidad. Por otro lado, los interruptores presentan tensiones de salida de 0V estando abiertos y de 4,96V y 5,04V estando cerrados. Además, el motor presenta una corriente de 0mA cuando ambos interruptores se encuentran cerrados, indicando que se obtuvo el freno libre esperado. Al realizar la investigación, se encontraron diversos diseños de puentes H transistorizados en los cuales variaba la configuración de sus transistores. Primero se eligió uno compuesto por cuatro transistores NPN y a pesar de que se conseguían los sentidos de giro necesarios, el motor no se recibía la corriente ni tensión suficiente para girar a su máxima velocidad. Por esto, se optó por un segundo diseño que cuenta con seis transistores, de los cuales dos son PNP. Fue necesario incluir las resistencias de pull-down dentro del diseño del fabricante elegido para la compuerta NAND para que ésta funcionara de forma correcta. En el caso de la compuerta AND, el diseño utilizado ya contaba con dicha resistencia. El valor elegido de ambas resistencias fue de 500Ω. Para el encendido del LED rojo en la configuración cerrado-cerrado se utilizó en primera instancia, un único transistor conectado directamente a los interruptores, cuya función era la de entrar en corte y saturación dependiendo de la salida de los mismos. No obstante, de esta forma no se alcanzaba la corriente ni la tensión necesaria para encenderlo, por lo que se recurrió a una compuerta lógica con el comportamiento ideal (AND). En un principio se ideó que el transistor de la salida de la compuerta NAND estuviera conectado entre la fuente de 12V y la entrada de alimentación del puente H. Sin
embargo, se observó que de esta forma, el puente H recibía una pequeña porción (3,6V aproximadamente) de la tensión y la corriente requerida por el motor, por ello se decidió conectar dicho transistor entre el puente H y tierra, para así regular el paso de corriente a través del puente de forma más eficiente.
La alimentación de las compuertas tuvo que ser conectadas a la salida del transformador de tensión, debido a que utilizando la fuente de 12V, no funcionaban de manera correcta.
R EFERENCIAS
[1] M. Mano “Lógica combinacional” en Lógica Digital y Diseño de Computradores, primera ed. México, 1982. [2] J. Keljik, “DC Motors” en Electricity: AC/DC Motor, Controls and Maintenance, décima ed. USA, 2013. [3] Electrónica Completa, Puertas lógicas [online]. Disponible en: http://electronicacompleta.com/lecciones/compuertas-logicas/ [4] Modular Circuits, H Bridge – the basics [online]. Disponible en: http://www.modularcircuits.com/blog/articles/h-bridge-secrets/h-bridgesthe-basics/ [5] A. Malvino; D. Bates , “Transistores de unión bipolar ” en Principios de Electrónica, séptima ed. USA, 2006.
