Interfaces Físicas

Interfaces de Potencia



Movimiento e interfaces de potencia.
 
 


Transistores
Relés
Movimiento
Solenoides
Motores DC
Motores de paso
Servos




Las interfaces de potencia son dispositivos intermedios entre nuestro microcontrolador y aquellos aparatos que requieran cantidades de corriente mayores a los que pueden manejar el microcontrolador (por lo general estamos hablando de una corriente de unos 40 miliamperios como máximo por pin).

Motores de paso, motores DC, servomotores, lamparas incandescentes, reflectores, grupos o tiras de leds, son ejemplos de dispositivos que podriamos llegar a controlar desde el microcontrolador a través de las interfaces de potencia. Es un grave error tratar de conectar este tipo de dispositivos directamente a los pines del microcontrolador. Nos ayudaremos de transistores, reles, puentes-H o interfaces eléctronicas de control para construirlas.

 




Transistores.
 




Los transistores pertenenecen a la familia de los componentes electrónicos llamados semiconductores, son componentes que pueden funcionar  como amplificadores o interruptores, si los utilizamos como interruptores pueden manejar corrientes altas, controlados por corrientes bajas (al igual que los relés). Los transistores son dispositivos de tres terminales y en el caso de los transistores bipolares sus terminales se llaman emisor, base y colector, al poner una corriente pequeña en la base, una corriente alta puede pasar del colector al emisor.
Entre los transistores bipolares podemos diferenciar dos tipos NPN y PNP.




 




En un transistor NPN:
 

La base controla el transistor.
El emisor es la conexión a tierra.
El colector conectará la parte de la carga a tierra.




 

npn




Postulados.
 

La conexión base/emisor equivale a un diodo (Un LED que no emite luz). Siempre que haya un voltaje positivo en la base habrá una diferencia de potencial de 0.7 volts, entre base y emisor.

Si hay cero voltios o menos de 0.7 voltios en la base del transistor el diodo no conducirá y no habrá conducción (conexión) entre colector y emisor.

Si el voltaje es superior a 0.7 volts el diodo conducirá y el transistor se activará, la corriente podrá pasar del  colector al emisor.




tip 120 tip 120



Descripción de pines del transistor Tip 120 visto de frente.

 

tipbat


Diagrama de conexión de un transistor, en este caso la carga es un motor y necesita el diodo de protección, la batería puede ser reemplazada por una fuente de voltaje o adaptador de corriente.




diodoreal

Diodo esquemático y componente real




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Relés.


 

Son interruptores mecánicos controlados por una corriente eléctrica. Según el tipo de relé, estos pueden ser activados con una corriente muy pequeña, por lo que pueden ser disparados directamente por el microcontrolador (asegurarse que no se sobrepasen los 20 miliamperios y que está conectado el diodo de protección).
El relé conectará una fuente de alimentación separada al circuito del microcontrolador entregando la corriente necesaria para el funcionamiento del dispositivo a controlar. Normalmente lo utilizaremos para conectar fuentes de corriente alterna de alto voltaje (110 o 220 voltios).

Al ser un interruptor mecánico puede ser bastante lento, tarda un par de milisegundos en cerrarse, si queremos "switchear" algo muy rápido el relé no será el dispositivo más efectivo. Para este tipo de trabajos utilizaremos un relé de estado solido o un transistor.

 

Diferentes tipos de Relés y encapsulados.
 
 


 

Diagrama de funcionamiento de un Relé.
 
 

Circuito para disparar un Relé, en este circuito se comparte la fuente de alimentación para el motor y la bobina del relé.
 

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Movimiento.

 


 

Habíamos comentado que los sensores eran para el sistema, como los sentidos son a los humanos. Ahora veremos unos dispositivos que sirven para generar movimiento, los músculos del sistema electrónico.
A continuación, dispositivos que nos pueden interesar controlar para generar movimiento.


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Solenoides.
 

Son dispositivos electromecánicos. Un solenoide típico consistiría en una bobina con un cilindro de metal en el centro, cuando se energiza la bobina se crea un campo magnético que sube o baja el cilindro metálico. Un solenoide rotacional es un solenoide que en ves de generar un movimiento lineal produce un movimiento rotacional.


solenoide
Solenoide lineal

sol
Solenoide de rotación


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Motores DC.
 

 

Los motores DC pueden ser utilizados para generar movimiento y locomoción. Por lo general tienen muchas revoluciones por minuto RPM (velocidad), pero bajo torque (fuerza), pero esto se soluciona poniendo engranajes reductores que bajarán la velocidad pero aumentaran la fuerza.  Son los que se utilizan en juguetes, teléfonos moviles (para dar la sensación de vibración), coches de scalextrick, ventiladores, etc. Al aplicar un voltaje DC el motor empieza a girar, al quitarlo se detiene, si se quiere cambiar la dirección del motor, se debe cambiar la polaridad. Podemos controlarlos con el microcontrolador a través de un transistor de potencia (ver práctica).



dc motors

Motores DC (Corriente directa).

gear

Motor DC con engranajes para bajar las RPM´s y subir el torque.


puente h
Puente H para controlar la dirección del movimiento de un motor (Fuente WIKIPEDIA.)






h bridege operation

Funcionamiento (Fuente WIKIPEDIA.)


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Si queréis evitar el montaje de los transistores es más fácil utilizar un circuito integrado que incluye todos los componentes. El chip L293D os permitirá trabajar con motores de potencia media (unos 600 mAmperios por motor) aquí teneis un muy buen tutorial para conectarlo al Arduino
.




Imagen del L293D-Arduino-Motor-Fuente extrana. Fuente http://luckylarry.co.uk/2009/07/control-a-dc-motor-with-arduino-and-l293d-chip/





Motores de Paso.
 

Pueden ser utilizados para locomoción, movimiento, dirección y posicionamiento. Estos motores se encuentran en muchísimos equipos industriales y computacionales, los escaners e impresoras utilizan este tipo de motores, también las impresoras en 3D.

motores paso
Motores de Paso

Son motores con una construcción especial ya que se puede controlar de forma digital el grado de rotación de su eje enviando pulsos de 0's y 1's, permitiéndonos posicionarlos con extremada precisión.

El stepper funciona con pulsos, si la secuencia de pulsos es la correcta el motor dará un paso, cada motor tiene una especificación de grados por paso que recorren.

Secuencia para moverlo un paso:

1000
delay (40);

0100
delay(40);
0010
delay(40)
;
0001
delay(40);



motors
Características del motor

Diagrama de los bobinados de un motor unipolar.
 
 
 
 

  Conexión de los bobinados a los transistores. http://tigoe.net/pcomp/motors.shtml

 


 

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Servos.


 

Son motores DC con engranajes y un sistema de retroalimentación de posición, que permite posicionarlos en un angulo dado con mucha precisión.   Su eje puede rotar 180 grados y se utilizan mucho en aparatos de Hobby R/C para controlar coches, aviones, barcos, helicópteros, en Animatrónicos para cine, marionetas, etc.


servo

Servo HITEC con accesorios

Se controlan a través de tres cables, dos son para voltaje y tierra y el tercero para una señal de posición de control que es un pulso.  La posición central sería un pulso de 1.5 milisegundos, que es enviado 50 veces por segundo al motor (cada 20 millisegundos).  Un pulso de 1 ms rotará el eje totalmente a la izquierda y un pulso de 2 ms rotará totalmente el eje a la derecha. Cualquier valor intermedio hará posicionar el eje entre los +-/90 grados, con respecto al centro (1.5 ms) como siempre es una aproximación dependiente del propio servo se ha de probar el rango mínimo y máximo del rotación del servo y la duración de los pulsos.

La alimentación del servo debe ser de 4 a 6 voltios y debe estar separada a la del microcontrolador además de disponer una capacidad de 1 amperio, si se utiliza un regulador de voltaje con suficiente capacidad se puede conectar a la misma fuente de alimentación que el microcontrolador.
 
 

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* Estos apuntes pretenden ser una rápida referencia al tema visto en clase, los contenidos que se refieren al Arduino son una síntesis de la información que se encuentra en la referencia de la web de Arduino que estan licenciados bajo una licencia Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 License por lo tanto este trabajo también se distribuye bajo la misma licencia Creative Commons Attribution-ShareAlike 2.5 License si se utilizan los contenidos de estas páginas podéis poner un link a estas páginas (si queréis).

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