Taller actuadores: motor con driver

01 · Punto de partida

Veinte cables y un motor que no gira

Todo lo necesario ya está visto: la llave con MOSFET del Tema 23, el diodo del Tema 14, la fuente separada del Tema 31. Este tema no agrega componentes. Agrega la forma de juntarlos.

El esquema era correcto. Lo que faltó fue un orden. Un circuito armado de una sola vez es como un programa de quinientas líneas escrito sin ejecutarlo nunca: cuando no funciona, el error puede estar en cualquier parte, y cada intento de arreglo es otra modificación sin probar.

La respuesta de un programador es la que ya conocés: construir de a poco y probar cada parte por separado. Una función, una prueba; después la siguiente. Cuando algo falla, falló lo último que agregaste. En un circuito se hace igual: se monta una etapa, se mide lo que tiene que dar, y recién entonces se agrega la siguiente.

• ¿Qué hay que medir del motor antes de diseñar nada?
• ¿Cómo se elige cada pieza a partir de esas mediciones?
• ¿En qué orden se monta, y qué se prueba en cada etapa?
• ¿Qué mediciones confirman que el circuito está bien?
• ¿Cómo se encuentra una falla cuando algo no da lo esperado?

02 · Identificar

La ficha del motor

Un motor de juguete no trae hoja de datos. Su ficha se hace con el multímetro, y tiene cuatro renglones. Los tres primeros se miden con el motor suelto y una fuente; ninguno necesita la llave.

1. 1
   Resistencia del bobinado.

   Con el multímetro en resistencia, sobre los dos terminales. Girá el eje un poco entre lectura y lectura y quedate con la menor. Restale la resistencia de las puntas, que se mide tocándolas entre sí.

2. 2
   Tensión de la fuente, sola.

   El portapilas con sus cuatro pilas, sin nada conectado.

3. 3
   Corriente girando libre.

   El motor directo al portapilas, con el multímetro en serie, en la escala de 10 A. Unos segundos.

4. 4
   Corriente de bloqueo, calculada.

   Tensión de la fuente dividida por la resistencia del bobinado. No se mide trabando el eje: se calcula.

03 · Selección

El diseño

Con la ficha, cada pieza sale de una cuenta que ya hiciste en otro tema.

Las tres verificaciones del Tema 23, con la corriente de bloqueo:

Tensión

La fuente es de 6 V y el MOSFET soporta 55: sobra.

Corriente

1,55 A contra los 5 o 6 A que maneja sin disipador: sobra.

Calor

En el peor caso, bloqueado: 1,55² × 0,025 × 1,5 = 0,09 W. Frío. Girando libre, menos de 3 mW.

El MOSFET está muy sobrado, y es lo que se busca: en este circuito, la pieza que sufre un bloqueo no es la llave sino el motor.

04 · Diseño

La predicción, con rangos

Antes de conectar nada, se anota qué tiene que dar cada medición. Con rangos, porque las pilas, el motor y los resistores tienen tolerancias. Una medición fuera del rango es una señal; una medición sin predicción no dice nada.

La corriente de bloqueo real es menor que la de la ficha: 1,35 A en lugar de 1,55. La ficha suponía una fuente perfecta; las pilas tienen su resistencia interna, que queda en serie con el bobinado. Es la primera predicción que el taller va a confirmar.

05 · Taller

El montaje en cinco etapas

Cada etapa agrega pocas piezas y termina con una prueba que no depende de las siguientes. Las pilas se sacan del portapilas al agregar piezas y se vuelven a poner para probar.

1. 1
   Las dos fuentes, solas.

   El portapilas a una línea de la protoboard y la fuente de 5 V a otra. Uní los dos negativos con un cable. Prueba: 6,0 a 6,4 V en una, 4,8 a 5,2 V en la otra, y continuidad entre los dos negativos.

2. 2
   La llave, con una carga inofensiva.

   El resistor de 10 kΩ, el MOSFET, el de 220 Ω. Como carga, un LED con un resistor de 470 Ω entre el positivo del portapilas y el drenaje. Prueba: tocando los 5 V con el cable de mando, el LED enciende; al soltarlo, se apaga enseguida. Entre compuerta y fuente, 4,8 a 5,0 V.

3. 3
   El diodo y el capacitor chico, sin el motor.

   El diodo entre el positivo y el drenaje, con la franja hacia el positivo, en paralelo con el LED. Prueba: el LED sigue respondiendo igual. Si queda apagado y algo se calienta, el diodo está al revés.

4. 4
   El motor, en lugar del LED.

   Con el capacitor de 100 nF sobre sus terminales. Prueba: una marcha de dos segundos. Gira, se detiene al soltar el mando, nada se calienta.

5. 5
   El capacitor de reserva.

   Los 470 µF entre el positivo y el negativo del portapilas, cerca del motor, respetando la polaridad. Prueba: todo sigue igual. Ahora sí, las mediciones.

La etapa 2 es la que más rinde. Con un LED como carga, la llave completa queda probada con 13 mA: un error de conexión en el MOSFET se ve sin que circule corriente suficiente para dañar nada. Es una prueba de la parte más delicada, aislada del resto.

06 · Verificar

Las mediciones y el dictamen

Tres pruebas

1. A
   Marcha libre.

   Con el mando en alto, medí las cinco magnitudes de la primera tabla de predicciones. Para la corriente, el multímetro va en serie entre el positivo del portapilas y el motor.

2. B
   Eje frenado, un segundo.

   Con el multímetro midiendo la tensión del portapilas, apretá el eje entre dos dedos hasta detenerlo, leé y soltá. Repetí midiendo la tensión entre drenaje y fuente. Dejá descansar el motor entre un intento y otro.

3. C
   El testigo de la fuente compartida.

   Conectá un LED con un resistor de 470 Ω directamente al portapilas. Arrancá y frená el motor mirando el LED: su brillo baja en cada arranque. Ahora conectalo a la fuente de 5 V: no se inmuta. Es la escena del Tema 31, vista con un LED en el lugar de la placa.

El dictamen

Las tolerancias son más anchas que en los talleres anteriores, y no por descuido. Un motor es un dispositivo mecánico: su corriente depende del roce, de la posición de las escobillas y de la temperatura. Un 30 % de diferencia entre dos mediciones del mismo motor es normal.

07 · Aplicación

El caso que falta: el eje trabado

El diseño soporta el bloqueo: la llave queda fría con 1,35 A. Pero «soportar» no es «resolver». Si el mecanismo se traba y el programa sigue mandando, esa corriente circula indefinidamente.

La pieza más débil del circuito resultó ser la que no se diseñó: el motor. Hay tres maneras de protegerlo, y son tres ideas que un programador reconoce:

Un tiempo máximo, en el programa

Si el movimiento tiene que durar dos segundos y a los cuatro no terminó, se corta y se avisa. Es un timeout: no hace falta ninguna pieza, solo no confiar en que la operación termina.

Medir la corriente

Un resistor de 0,1 Ω entre la fuente del MOSFET y el negativo produce 25 mV girando y 135 mV trabado. Leyendo esa tensión con una entrada analógica, el programa sabe que el motor está trabado. Es un sensor de corriente, de los del Tema 29.

Un fusible que se rearma solo

Un componente que se calienta con el exceso de corriente y la corta, y que vuelve a conducir al enfriarse. Actúa aunque el programa esté colgado.

Las dos primeras dependen de que el programa funcione. La tercera, no. Un equipo bien hecho combina una de las primeras, que es rápida y da información, con la tercera, que es lenta y no falla. Ese componente y esa manera de pensar son el tema siguiente.

08 · Simulador

Banco de diagnóstico

El circuito del taller, armado, con seis instrumentos conectados. Elegí una falla para ver sus síntomas, o pedí una falla oculta y tratá de identificarla con las lecturas.

• Los seis recuadros son mediciones simultáneas. Las tensiones se miden respecto del negativo del portapilas.
• El mando puede estar en alto, en bajo o suelto: el cable sin conectar a nada.
• El eje puede estar libre o frenado.

Recorrido guiado (10 minutos)

1. 1
   Mirá el circuito correcto, con el mando en alto.

   Anotá las seis lecturas: son tu referencia. Después poné el mando en bajo, y suelto. En los dos casos el motor se detiene.

2. 2
   Con el mando en alto, frená el eje.

   La corriente sube a 1,3 A y el portapilas baja casi un volt. El MOSFET sigue frío; el motor disipa más de 7 W.

3. 3
   Elegí «falta el negativo común».

   El mando sigue teniendo sus 5 V, medidos contra su propio negativo. Pero entre compuerta y fuente no hay una tensión definida, y el motor no responde.

4. 4
   Elegí «drenaje y fuente intercambiados» y poné el mando en bajo.

   El motor gira igual. Mirá la tensión entre drenaje y fuente: 0,7 V con el signo invertido. Es el diodo interno del MOSFET.

5. 5
   Elegí «falta el resistor de 10 kΩ» y recorré los tres estados del mando.

   En alto y en bajo, todo normal. Suelto, el motor sigue girando: la compuerta conservó su carga. Es la falla que no se ve mientras el mando esté conectado.

6. 6
   Elegí «10 kΩ en serie» y frená el eje.

   Girando libre casi no se nota. Frenado, el MOSFET se queda con casi 2 V y disipa cerca de 2 W: quema. La lectura que lo delata es la de compuerta: 2,5 V.

7. 7
   Elegí «diodo al revés», con el mando en alto.

   El portapilas se desploma y circulan amperes sin que el motor gire. Es un cortocircuito a través del diodo. En la mesa: sacar una pila.

8. 8
   Elegí «oculta» y diagnosticá.

   Usá el mando y el eje para provocar los síntomas. Cuando tengas una hipótesis, presioná «Revelar la falla». Después sorteá otra.

Preguntas para pensar

1. En el paso 5, ¿por qué esa falla es la más peligrosa de las seis, aunque el circuito parezca funcionar?
2. En el paso 6, ¿por qué la falla se nota frenado y no girando libre?
3. Con una falla oculta, ¿cuál es la primera medición que conviene mirar?

09 · El taller en código

Predecir, dictaminar y proteger

Las predicciones, a partir de la ficha

def predecir(v_vacio, ohm_bobinado, a_libre, ohm_pilas=0.6, ohm_llave=0.025, v_mando=5.0):
    """Devuelve un diccionario de (mínimo, máximo) para cada medición."""
    v_compuerta = v_mando * 10_000 / 10_220
    a_bloqueo = v_vacio / (ohm_bobinado + ohm_pilas + ohm_llave)
    return {
        "compuerta-fuente (V)": (v_compuerta * 0.98, v_compuerta * 1.02),
        "corriente libre (A)": (a_libre * 0.6, a_libre * 1.4),
        "portapilas, girando (V)": (v_vacio - a_libre * 1.4 * ohm_pilas * 1.5, v_vacio),
        "drenaje-fuente, girando (V)": (0.0, a_libre * 1.4 * ohm_llave * 1.5),
        "corriente frenado (A)": (a_bloqueo * 0.8, a_bloqueo * 1.1),
        "portapilas, frenado (V)": (v_vacio - a_bloqueo * 1.1 * ohm_pilas * 1.3, v_vacio - a_bloqueo * 0.8 * ohm_pilas * 0.7),
        "drenaje-fuente, frenado (V)": (0.0, a_bloqueo * 1.1 * ohm_llave * 1.5),
    }


FICHA = dict(v_vacio=6.2, ohm_bobinado=4.0, a_libre=0.25)
print(f"Corriente de bloqueo de la ficha: {FICHA['v_vacio'] / FICHA['ohm_bobinado']:.2f} A")
for medicion, (minimo, maximo) in predecir(**FICHA).items():
    print(f"   {medicion:30} de {minimo:6.3f} a {maximo:6.3f}")

Cargá en FICHA los tres valores que mediste en tu motor.

El dictamen, y la falla más probable

El razonamiento del simulador, escrito como una serie de preguntas en orden: cada una descarta parte de las hipótesis.

def diagnosticar(v_pilas, v_compuerta, v_drenaje, amperes, gira, mando="alto"):
    """Mediciones con el mando indicado. Tensiones respecto del negativo del portapilas."""
    if mando == "alto":
        if v_pilas < 2 and amperes > 2:
            return "cortocircuito: diodo al revés. Sacar una pila"
        if v_compuerta is None or v_compuerta < 0.5:
            return "el mando no llega a la compuerta: negativo común, cable de mando o resistor en serie"
        if v_compuerta < 4:
            return f"compuerta con {v_compuerta} V: resistor en serie demasiado grande"
        if v_drenaje < 0:
            return "drenaje y fuente intercambiados: conduce el diodo interno"
        if v_drenaje > 0.3:
            return "MOSFET a medio encender con buena tensión de compuerta: no es de nivel lógico, o está dañado"
        if v_pilas < 5:
            return "la llave está bien; las pilas no sostienen la tensión"
        return "correcto" if gira else "la llave está bien y el motor no gira: motor o eje trabado"
    if gira:
        return ("drenaje y fuente intercambiados" if v_drenaje < 0
                else "la compuerta no se descarga: falta el resistor de 10 kohm")
    return "correcto: apagado"


CASOS = (
    ("mando en alto", dict(v_pilas=6.05, v_compuerta=4.89, v_drenaje=0.006, amperes=0.25, gira=True)),
    ("mando en alto", dict(v_pilas=6.2, v_compuerta=None, v_drenaje=6.2, amperes=0.0, gira=False)),
    ("mando en alto", dict(v_pilas=6.05, v_compuerta=2.5, v_drenaje=0.5, amperes=0.25, gira=True)),
    ("mando en alto", dict(v_pilas=0.7, v_compuerta=4.89, v_drenaje=0.1, amperes=4.5, gira=False)),
    ("mando en alto", dict(v_pilas=4.25, v_compuerta=4.89, v_drenaje=0.006, amperes=0.25, gira=True)),
    ("mando suelto", dict(v_pilas=6.05, v_compuerta=5.0, v_drenaje=0.006, amperes=0.25, gira=True, mando="suelto")),
    ("mando en bajo", dict(v_pilas=6.05, v_compuerta=0.0, v_drenaje=-0.7, amperes=0.25, gira=True, mando="bajo")),
)
for descripcion, mediciones in CASOS:
    print(f"{descripcion:14} -> {diagnosticar(**mediciones)}")

Agregá un caso con tus propias mediciones. El orden de las preguntas importa: probá mover la del cortocircuito al final.

El eje trabado

def trabado(v_vacio=6.2, ohm_bobinado=4.0, ohm_pilas=0.6, ohm_llave=0.025, ohm_medicion=0.1, mah=2000):
    total = ohm_bobinado + ohm_pilas + ohm_llave + ohm_medicion
    amperes = v_vacio / total
    print(f"Corriente con el eje trabado: {amperes:.2f} A")
    for nombre, ohm in (("motor", ohm_bobinado), ("pilas", ohm_pilas), ("MOSFET", ohm_llave),
                        ("resistor de medición", ohm_medicion)):
        print(f"   {nombre:22} {amperes ** 2 * ohm:5.2f} W")
    print(f"Las pilas duran unos {mah / (amperes * 1000) * 60:.0f} minutos así")
    return amperes


a_trabado = trabado()
a_libre = 0.25
print(f"\nTensión sobre el resistor de medición de 0,1 ohm:")
print(f"   girando libre: {a_libre * 0.1 * 1000:.0f} mV      trabado: {a_trabado * 0.1 * 1000:.0f} mV")
umbral = (a_libre * 2.5) * 0.1
print(f"   umbral para el programa: {umbral * 1000:.0f} mV; por encima durante más de medio segundo, cortar")

Con un conversor de 10 bits y referencia de 1,1 V, cada cuenta vale 1,07 mV. ¿Cuántas cuentas separan «libre» de «trabado»?

10 · Comprensión

Confusiones frecuentes

11 · Práctica guiada

Ejercicios

Ejercicio 1: otra ficha

Un motor mide 2,5 Ω y gira libre con 0,4 A. La fuente son tres pilas AA: 4,6 V en vacío, con 0,45 Ω de resistencia interna. Calculá la corriente de bloqueo de la ficha, la real con las pilas, y la tensión del portapilas en los dos estados.

Ejercicio 2: el orden

Ordená estos pasos y justificá: conectar el motor; medir las dos fuentes; probar la llave con un LED; poner el diodo; unir los negativos; poner el capacitor de 470 µF.

Ejercicio 3: diagnóstico por mediciones

Con el mando en alto medís: portapilas 6,1 V; compuerta 0,0 V; drenaje 6,1 V; motor detenido. La fuente de mando, medida contra su propio negativo, da 5,0 V. ¿Qué dos fallas son posibles y cómo las distinguís?

Ejercicio 4: el testigo

En la prueba C, el LED conectado al portapilas baja su brillo al arrancar el motor. Con la ficha del taller, ¿cuánto baja la tensión en el arranque, y por qué eso no importa para el motor y sí para una placa?

Ejercicio 5: fallas ocultas

En el simulador, elegí «oculta» y diagnosticá cinco fallas seguidas. Para cada una, anotá qué medición te dio la pista antes de revelar.

Ejercicio 6: el taller completo

Con las piezas reales. Hacé la ficha de tu motor, las predicciones, el montaje en cinco etapas y las tres pruebas. Completá una tabla de predicho, medido y veredicto.

12 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el Tema 33?

Podés avanzar si sos capaz de responder esto sin mirar:

• Decir cómo se obtiene la corriente de bloqueo de un motor sin trabarlo.
• Explicar por qué la corriente frenado que se mide es menor que la de la ficha.
• Enumerar las cinco etapas del montaje.
• Decir qué se prueba con el LED en la etapa 2, y por qué con un LED.
• Decir qué medición mirarías primero ante un motor que no responde.
• Describir el síntoma de un circuito sin el resistor de 10 kΩ.
• Nombrar tres formas de proteger un motor trabado.

El taller terminó con una pregunta que no era de diseño: ¿qué pasa cuando algo sale mal y nadie lo corta? Un eje trabado, un cable en cortocircuito, una fuente conectada al revés. Hay componentes y prácticas cuyo único trabajo es ese momento. En el próximo tema, protección y buenas prácticas: fusibles, diodos, disposición y márgenes.