Actuadores: motores, servos y avisos

01 · Punto de partida

El robot que se reinicia al arrancar

Ya sabés armar la llave de un motor: en el Tema 23 era un MOSFET con sus tres piezas. La llave resuelve cómo mandar al motor. Queda un problema que no está en la llave.

Nada estaba mal conectado. Un motor detenido se comporta como la resistencia de su bobinado, unos pocos ohms: en el instante de arrancar pide cinco veces la corriente que consume girando. La fuente no puede entregarla, la tensión se desploma durante unas milésimas de segundo, y el microcontrolador, que comparte esa tensión, se reinicia. Al reiniciarse apaga el motor, la tensión se recupera, y todo vuelve a empezar.

En un servidor es el vecino ruidoso: dos procesos que comparten un recurso, y uno que en sus picos se lo lleva todo y deja caer al otro. La solución tampoco es nueva: no se le pide al proceso pesado que se porte bien, se le da su propio recurso. Acá, su propia fuente.

• ¿Qué actuadores hay, y qué hace cada uno?
• ¿Cuánta corriente toma un motor, y cuándo?
• ¿Cómo se alimentan y se mandan un servo y un motor paso a paso?
• ¿Qué diferencia a un zumbador activo de uno pasivo?
• ¿Por qué los actuadores necesitan una fuente aparte, y cómo se la conecta?

02 · Identificar

Señal y potencia: dos caminos

Un actuador convierte energía eléctrica en otra cosa: movimiento, sonido, calor, luz. Es la cadena del sensor recorrida al revés, con una diferencia de escala. Un sensor trabaja con microwatts. Un motor chico, con watts.

Casi todos los problemas con actuadores vienen de mezclar los dos caminos: intentar que la señal alimente al actuador, o dejar que la corriente del actuador circule por los cables y la fuente de la señal. Los dos se unen en un solo punto, el negativo, porque la señal necesita una referencia común para ser entendida.

03 · Identificar

Familias de actuadores

La columna del medio explica por qué este tema viene después de las llaves. De toda la tabla, lo único que una salida de 10 mA puede alimentar directamente es un zumbador de cierto tipo. Todo lo demás pasa por un transistor.

Y casi todos son bobinas. Motor, solenoide, relé, vibrador: electroimanes en distintas formas. Todo lo del Tema 14 vale para ellos, empezando por el diodo.

04 · Características

El motor de continua y sus tres corrientes

Un motor no consume «una» corriente. Consume según qué tan rápido gira, y la razón es que un motor girando es, al mismo tiempo, un generador.

1. 1
   Detenido, es solo un alambre.

   El bobinado tiene unos pocos ohms. Al aplicarle tensión, la corriente es la tensión dividida por esa resistencia: la máxima que ese motor puede tomar.

2. 2
   Al girar, genera una tensión que se opone.

   Cuanto más rápido gira, mayor es esa tensión, y menos queda para empujar corriente por el bobinado. La corriente baja a medida que acelera.

3. 3
   Si algo lo frena, vuelve a subir.

   Con carga gira más despacio, genera menos y toma más corriente. Bloqueado por completo, vuelve a la del arranque, y ahí se queda.

Esa tercera fila es la de la escena, y se obtiene con el multímetro sin conectar nada: medir la resistencia del bobinado y dividir. Es la corriente que tu circuito tiene que soportar, aunque dure un instante, porque también es la que circula si el mecanismo se traba.

Lo que un motor agrega al circuito

El diodo

Es una bobina: al cortar, devuelve su energía. Diodo en paralelo con el motor, siempre, y rápido si se usa PWM.

Ruido eléctrico

Los motores con escobillas producen chispas diminutas en cada vuelta, que viajan por la alimentación y por el aire. Un capacitor cerámico de 100 nF soldado entre los dos terminales del motor las atenúa en el origen.

Velocidad

Se regula con PWM, como en el Tema 23: encendiendo y apagando la llave muy rápido.

Sentido de giro

Se invierte cambiando la polaridad. Para hacerlo desde un programa hacen falta cuatro llaves en una disposición llamada puente H, que se compra hecha, como módulo o como integrado.

05 · Identificar

El servo

Un servo es un motor con engranajes, un sensor de posición y un circuito de control, todo en una caja. No se le dice «girá»: se le dice «andá a 90 grados», y él se ocupa de llegar y de quedarse ahí aunque lo empujen.

No necesita llave

La trae adentro. La pata de señal solo lleva información y consume microamperes: es el único actuador de la tabla que se conecta a una salida sin transistor.

La señal es un pulso que se repite

Cincuenta veces por segundo, un pulso cuya duración indica el ángulo: alrededor de 1 milisegundo para un extremo, 1,5 para el centro, 2 para el otro. Es una salida «por pulso», como la de un sensor ultrasónico, en sentido inverso, y depende igual del reloj.

Lo que consume depende de lo que hace

Quieto y sin esfuerzo, unos 10 mA. Moviéndose, 100 a 250 mA. Si algo le impide llegar a su posición, empuja con todo y toma 650 mA o más, indefinidamente.

Arranca como un motor

Cada vez que recibe una posición nueva, su motor interno arranca desde cero, con su pico. Un servo que tiembla, o que hace reiniciar la placa al moverse, tiene un problema de fuente, no de programa.

06 · Identificar

El motor paso a paso

Un motor paso a paso no gira solo al recibir tensión. Tiene varias bobinas, y avanza un ángulo fijo, un paso, cada vez que se cambia cuál está energizada. Para que gire, hay que energizarlas en secuencia.

Lo que da a cambio

Posición sin sensor. Si cada paso son 1,8 grados, doscientos pasos son una vuelta exacta. El programa cuenta los pasos que ordenó y sabe dónde está el eje.

Lo que puede salir mal

Si la carga supera su fuerza, o se le pide acelerar demasiado rápido, el motor pierde pasos: no avanza, y el programa no se entera. A partir de ahí, la posición que el programa cree es falsa.

Consume más cuando está quieto

Para sostener su posición mantiene las bobinas energizadas. Detenido toma su corriente máxima, y se calienta. Es lo contrario de un motor de continua, y lo que más sorprende al alimentarlo con baterías.

Siempre con su excitador

Cuatro cables o más, y una secuencia precisa: se usa un circuito dedicado. Los motores chicos de cinco cables se manejan con el integrado de siete llaves del Tema 24. Los medianos, con módulos que además limitan la corriente de cada bobina, y a los que el programa solo les envía «un paso más» y «en qué sentido».

La elección entre los tres motores sale de una pregunta: ¿qué hay que controlar?

07 · Identificar

Los que avisan

Hay dos componentes que se venden con el mismo nombre, tienen el mismo aspecto y se usan de manera opuesta.

El pasivo tiene dos tecnologías

El electromagnético es una bobina de pocos ohms: necesita un transistor y un diodo. El piezoeléctrico, un disco metálico delgado, casi no consume y se puede conectar directamente a una salida; suena menos.

El tono depende del reloj

La frecuencia de la señal la genera el microcontrolador dividiendo su reloj. Un reloj con 1 % de error da notas 1 % desafinadas: no se nota en un aviso, y sí en una melodía.

El motor vibrador

Es un motor de continua muy chico con un peso descentrado en el eje. Se maneja como cualquier motor: transistor, diodo, y su corriente de arranque.

08 · Aplicación

La fuente

La escena se explica con una propiedad que tiene toda fuente real: su tensión baja cuando se le pide corriente. Se comporta como una fuente ideal con un resistor en serie, su resistencia interna, y además tiene un tope a partir del cual directamente deja de sostener la tensión.

La batería rectangular de 9 V merece una mención: es la fuente que más se usa para empezar y la peor para mover algo. Tiene poca capacidad y una resistencia interna alta. Alimenta bien una placa sola; con un motor o un servo se agota en minutos y su tensión se hunde en cada arranque.

Tres reglas

1. 1
   Fuente separada para la potencia.

   La placa con su alimentación; los actuadores con una fuente capaz de dar su corriente de arranque. Lo que le pase a una no afecta a la otra.

2. 2
   Negativos unidos, en un solo punto.

   Sin negativo común, la señal no tiene referencia y la llave no responde. Unidos en un solo punto, cerca de la fuente de potencia, la corriente del motor vuelve por su propio cable y no pasa por el negativo de la placa ni por el de los sensores.

3. 3
   Un capacitor grande junto al actuador.

   De 470 a 1000 µF entre el positivo y el negativo de la fuente de potencia, lo más cerca posible del motor o del servo. Entrega el pico del arranque durante las milésimas de segundo en que la fuente no llega. Es la reserva del Tema 11.

Qué llave para cada uno

09 · Simulador

El instante del arranque

Elegí la fuente y el actuador, y si la placa comparte esa fuente. El gráfico muestra la tensión de la fuente durante los 300 milisegundos que rodean al arranque.

• La curva es la tensión que ven el actuador y, si la comparte, la placa.
• La línea punteada es la tensión mínima que la placa necesita para no reiniciarse. Aparece solo cuando comparte la fuente.
• El actuador se enciende a los 30 ms.

Recorrido guiado (8 minutos)

1. 1
   Mirá el estado inicial.

   Es la escena: el motor y la placa en la misma salida de 5 V. Al arrancar, la tensión cae muy por debajo de lo que la placa necesita.

2. 2
   Cambiá el actuador al zumbador, al relé y a un servo.

   Con el zumbador y el relé la curva casi no se mueve. Con el servo, tomado en su peor caso, haciendo fuerza desde el arranque, la tensión ya cae por debajo del mínimo.

3. 3
   Con el motor, agregá el capacitor de 470 µF, y después el de 2200 µF.

   La caída se demora y se suaviza. El capacitor entrega el pico durante un instante; si el arranque dura más que su reserva, la tensión igual termina cayendo.

4. 4
   Quitá el capacitor y cambiá la fuente al cargador de 2 A.

   La caída es de unas décimas: una fuente con capacidad resuelve lo que el capacitor solo demoraba.

5. 5
   Probá la batería de 9 V, con el motor.

   Parte de más alto y cae a 4 V: no puede entregar más de 1 A. La placa, que de esa batería necesita al menos 6,5 V, se reinicia.

6. 6
   Con la batería de 9 V, elegí «la placa tiene su propia fuente».

   La caída es la misma, pero ya no le importa a la placa. El motor arranca con poca tensión, y arranca. Separar las fuentes no mejora la fuente del motor: protege a la placa.

7. 7
   Con las cuatro pilas AA y tres servos, compartiendo.

   Tres arranques simultáneos suman sus picos. Probá con la placa en su propia fuente.

Preguntas para pensar

1. En la escena, el motor arrancaba bien si se lo ayudaba con los dedos. ¿Por qué?
2. En el paso 3, ¿por qué el capacitor ayuda pero no siempre alcanza?
3. En el paso 6, ¿por qué sigue haciendo falta unir los negativos?

10 · Verificar

Qué medir antes de programar

Tres mediciones, con el actuador sobre la mesa y sin placa, dan todo lo necesario para elegir la llave y la fuente. En el próximo tema las hacés paso a paso.

11 · Los actuadores en código

Ficha, fuente y autonomía

La ficha de un actuador

def ficha(nombre, volts, ohm_bobinado=None, marcha_ma=None, arranque_ma=None, bobina=True, propia_llave=False):
    if arranque_ma is None:
        arranque_ma = volts / ohm_bobinado * 1000
    marcha_ma = marcha_ma or arranque_ma
    print(f"{nombre}: {volts} V, marcha {marcha_ma:.0f} mA, arranque {arranque_ma:.0f} mA")
    if propia_llave:
        llave = "ninguna: la señal va directa"
    elif arranque_ma <= 75:
        llave = "BC547 con resistor de base"
    elif arranque_ma <= 200:
        llave = "BC337, o MOSFET"
    else:
        llave = "MOSFET garantizado a la tensión de mando"
    print(f"   llave: {llave}" + (" + diodo" if bobina and not propia_llave else ""))
    print(f"   fuente: {'la de la placa alcanza' if arranque_ma <= 100 else 'propia, capaz de ' + format(arranque_ma / 1000, '.1f') + ' A'}")
    return arranque_ma


ficha("Motor chico", 6, ohm_bobinado=4, marcha_ma=350)
ficha("Relé", 5, ohm_bobinado=70)
ficha("Zumbador activo", 5, marcha_ma=30, arranque_ma=30, bobina=False)
ficha("Vibrador", 3, ohm_bobinado=30, marcha_ma=70)
ficha("Servo chico", 5, marcha_ma=200, arranque_ma=650, propia_llave=True)

Medí la resistencia del bobinado de un motor que tengas y cargá su ficha.

Cuánto cae cada fuente

La tensión que queda cuando una fuente con resistencia interna alimenta una carga que pide cierta corriente a su tensión nominal.

FUENTES = {     # tensión en vacío (V), resistencia interna (ohm), tope de corriente (A)
    "salida de 5 V de la placa": (5.0, 0.5, 0.5),
    "batería de 9 V":            (9.0, 2.0, 1.0),
    "cuatro pilas AA":           (6.0, 0.6, 4.0),
    "cargador USB de 2 A":       (5.1, 0.15, 2.2),
}


def tension_con_carga(fuente, amperes_nominales, v_nominal):
    vacio, r_interna, tope = FUENTES[fuente]
    r_carga = v_nominal / amperes_nominales
    volts = vacio * r_carga / (r_carga + r_interna)
    if volts / r_carga > tope:               # la fuente llegó a su tope: no sostiene la tensión
        volts = tope * r_carga
    return volts


CARGAS = (("relé, 71 mA", 0.071, 5), ("servo, 650 mA", 0.65, 5), ("motor, 1,5 A", 1.5, 6))
print(f"{'':28}" + "".join(f"{nombre:>18}" for nombre, _, _ in CARGAS))
for fuente, (vacio, _, _) in FUENTES.items():
    fila = ""
    for _, amperes, v_nominal in CARGAS:
        volts = tension_con_carga(fuente, amperes, v_nominal)
        fila += f"{volts:>10.2f} V ({100 * volts / vacio:3.0f} %)"
    print(f"{fuente:28}{fila}")

Agregá a FUENTES una celda de litio: 3,7 V, 0,08 Ω de resistencia interna y 5 A de tope.

Cuánto dura la batería

def autonomia(nombre, capacidad_mah, consumos):
    """consumos: lista de (descripción, mA, fracción del tiempo)."""
    promedio = sum(ma * fraccion for _, ma, fraccion in consumos)
    print(f"{nombre}, {capacidad_mah} mAh: consumo promedio {promedio:.0f} mA -> {capacidad_mah / promedio:.1f} horas")
    for descripcion, ma, fraccion in consumos:
        print(f"   {descripcion:28} {ma:>5} mA el {fraccion * 100:3.0f} % del tiempo: "
              f"{100 * ma * fraccion / promedio:3.0f} % del gasto")


autonomia("Carrito con cuatro pilas AA", 2000, [
    ("placa", 40, 1.0),
    ("dos motores en marcha", 700, 0.5),
    ("un servo moviéndose", 200, 0.1),
])
autonomia("Posicionador con motor paso a paso", 2000, [
    ("placa", 40, 1.0),
    ("motor, también detenido", 600, 1.0),
])

En el segundo caso el motor casi no se mueve, y gasta todo el tiempo. Muchos excitadores permiten desactivar las bobinas cuando no hay que sostener la posición.

12 · Comprensión

Confusiones frecuentes

13 · Práctica guiada

Ejercicios

Ejercicio 1: la corriente de arranque

Medís el bobinado de tres actuadores: un motor de 3 V con 2,5 Ω; una bomba de 12 V con 8 Ω; una electroválvula de 12 V con 30 Ω. Calculá la corriente de arranque de cada uno y decí qué llave usarías con una placa de 3,3 V.

Ejercicio 2: elegir el motor

Decí qué tipo de motor usarías para: abrir y cerrar una tapa a 90 grados; mover una cinta transportadora; posicionar una cámara en cualquiera de 400 posiciones a lo largo de una vuelta; hacer vibrar un aviso.

Ejercicio 3: la escena

La salida de 5 V de la placa sostiene 0,5 A. El motor tiene un bobinado de 4 Ω. ¿Cuánta corriente pediría al arrancar con 5 V? ¿Qué tensión queda si la fuente se limita a 0,5 A? ¿Por qué eso reinicia la placa?

Ejercicio 4: tres servos

Un brazo con tres servos chicos, que pueden moverse a la vez. ¿Qué fuente hace falta? ¿Qué se conecta a la placa?

Ejercicio 5: en el simulador

Con el motor y la placa compartiendo la fuente, anotá la tensión mínima con cada una de las cuatro fuentes, sin capacitor. ¿Con cuáles se reinicia la placa?

Ejercicio 6: identificá lo que tenés

Con piezas reales. Reuní los actuadores que tengas: motores, un servo, un zumbador, un relé. Para cada uno, medí lo que se pueda medir sin alimentarlo y completá su ficha.

14 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el Tema 32?

Podés avanzar si sos capaz de responder esto sin mirar:

• Explicar por qué un motor toma más corriente al arrancar.
• Calcular la corriente de bloqueo de un motor de 6 V con 3 Ω de bobinado.
• Decir qué cables tiene un servo y a dónde va cada uno.
• Decir en qué momento consume más un motor paso a paso.
• Describir cómo distinguir un zumbador activo de uno pasivo.
• Explicar por qué la placa se reinicia cuando arranca un motor.
• Enunciar las tres reglas de la fuente.

Con el mapa hecho, queda armarlo. Un motor, su llave, su diodo y su fuente separada, medidos: la resistencia del bobinado, la corriente en marcha, la caída de la fuente en el arranque. En el próximo tema, el taller de actuadores: un motor con su llave.