Control de actuadores: potencia desde un pin

01 · Punto de partida

Un pin no es una fuente de potencia

En el tema 16 vimos los límites de un pin: unos 20 mA de uso normal y 40 mA como máximo absoluto, y 200 mA entre todos los pines del chip. Alcanza para un LED o para comandar otra etapa, pero no para mover nada que pese. Conectar un motor directamente a un pin no solo no lo hace girar: puede dañar el pin o reiniciar el microcontrolador.

La solución es una arquitectura de dos niveles. El microcontrolador trabaja en el nivel de señal: unos pocos miliamperios, decide y ordena. Una etapa de potencia con su propia fuente hace el trabajo pesado. Entre ambas, un interruptor electrónico que el pin gobierna con una corriente mínima: un transistor, un MOSFET, un relé o un circuito integrado que reúne varios.

El taller siguiente (tema 39) pone todo esto en práctica con un motor de corriente continua, un relé y un motor paso a paso.

02 · De cuánto estamos hablando

Cuánto piden las cargas

Dos columnas importan por igual: la corriente decide el componente que conmuta, y la naturaleza decide si hace falta protección. Las cargas inductivas (bobinas: relés, motores, solenoides) almacenan energía en su campo magnético y, al apagarse, la devuelven en forma de un pico de tensión. Es la causa más común de microcontroladores que se reinician o se queman al mover un actuador.

03 · El interruptor más antiguo

El transistor bipolar como interruptor

Un transistor NPN actúa como interruptor entre el colector y el emisor: una corriente pequeña en la base permite una corriente grande en el colector. Para usarlo como llave se lo lleva a saturación, donde la tensión entre colector y emisor cae a unos 0,2 V y el transistor disipa poco. La clave es no confiar en la ganancia de la hoja de datos (h_FE, de 100 a 300 y muy variable), sino en una ganancia forzada mucho menor, de 10 (regla de oro): se entrega una base abundante para asegurar la saturación.

Para un relé de 70 mA con un pin de 5 V: I_B = 7 mA y R_B = (5 − 0,7) / 7 mA = 614 Ω. Se elige el valor normalizado menor más cercano (560 Ω, serie E12): la corriente real es 7,7 mA (ganancia forzada de 9,1). Si se eligiera una resistencia mayor, la corriente de base bajaría, el transistor saldría de la saturación y se calentaría. La primera herramienta del laboratorio hace esta cuenta.

Cuatro detalles de circuito:

• La resistencia de base es obligatoria. Sin ella la corriente la limitaría solo la unión base-emisor (un diodo) y se quemaría el pin.
• Una resistencia de 10 kΩ de base a masa mantiene apagado el transistor cuando el pin está en alta impedancia, como ocurre durante el reinicio del microcontrolador.
• El interruptor va del lado de masa (low-side): la carga conecta a +V y el transistor la une a masa. Es la configuración sencilla con NPN.
• Para corrientes de base demasiado altas (carga de 400 mA o más a 5 V pedirían 43 mA de un pin), se usa un transistor Darlington, un MOSFET o un driver integrado.

04 · El interruptor moderno

El MOSFET como interruptor

Un MOSFET de canal N se comanda con tensión en la compuerta (gate), no con corriente: la compuerta es un capacitor aislado y en régimen no consume nada. Cuando la tensión entre compuerta y fuente supera un umbral, se forma un canal y el drenaje queda unido a la fuente con una resistencia pequeña, la R_DS(on), de milésimas de ohm. La pérdida es simplemente P = I² · RDS(on): con 5 A y 30 mΩ son 0,75 W, mucho menos que lo que disiparía un transistor bipolar en saturación.

Hay una trampa que atrapa a los principiantes. La hoja de datos indica la tensión de umbral V_GS(th) (1 a 3 V), pero ese es el valor con el que apenas empieza a conducir, a 250 µA. Lo que importa es la R_DS(on) especificada a la tensión que realmente aplicás. Un MOSFET «de potencia» clásico como el IRF540 se especifica a 10 V de compuerta: con 5 V de un pin conduce mal y se calienta; con 3,3 V, casi nada. Para excitarlos desde un microcontrolador se buscan los de nivel lógico: R_DS(on) especificada a 4,5 V o menos (algunos a 2,5 V para sistemas de 3,3 V).

• Resistencia de compuerta (100 a 470 Ω): limita la corriente de carga de la compuerta, que es un capacitor de varios nanocoulombs (Q_G), y la oscilación con las inductancias del cableado.
• Pull-down de compuerta (10 kΩ a 100 kΩ a masa): mantiene el MOSFET apagado cuando el pin flota. Sin él, una compuerta flotante puede quedar parcialmente encendida y quemar el dispositivo.
• Con una PWM (temas 25 y 26) el MOSFET regula la potencia de la carga. Cada transición cuesta energía: durante el tiempo que tarda la compuerta en cargarse, el transistor pasa por la zona lineal, con tensión y corriente a la vez. A frecuencias altas y con compuertas lentas (un pin tiene resistencia de salida) la pérdida de conmutación puede superar a la de conducción. Para PWM rápida con corrientes grandes se usa un excitador de compuerta.
• Diodo interno. Todo MOSFET trae un diodo parásito entre fuente y drenaje (diodo del cuerpo); conduce al revés, pero no sustituye al diodo de rueda libre en una carga inductiva.
• Interruptor del lado positivo (high-side): se usa un MOSFET de canal P, o uno de canal N con un excitador especial (bootstrap). Es lo habitual en puentes H.

La segunda herramienta del laboratorio estima la pérdida de conducción, la de conmutación, la corriente de compuerta y el calentamiento.

05 · La venganza de la bobina

Cargas inductivas y el diodo de rueda libre

Una bobina se opone a los cambios de corriente: V = L · di/dt. Cuando el transistor se enciende, la corriente crece gradualmente (con constante de tiempo L/R). Cuando se apaga, el transistor intenta cortar la corriente en nanosegundos, y la bobina responde generando la tensión que haga falta para mantenerla. Con L = 100 mH, I = 70 mA y un corte en 1 µs, la fórmula da 7000 V. En la práctica la tensión sube hasta que algo cede: la unión del transistor se perfora, salta un arco en los contactos del relé, o el pico se acopla al microcontrolador por los cables y lo reinicia o lo daña.

El remedio es dar a la corriente un camino por donde seguir circulando: el diodo de rueda libre (flyback, freewheel) en paralelo con la bobina, con el cátodo hacia el positivo. En operación normal queda polarizado en inversa y no hace nada. Al apagar, la bobina invierte su polaridad, el diodo conduce y la corriente se recircula por la bobina y el diodo, decayendo suavemente. La tensión que ve el transistor se limita a V + 0,7 V.

El diodo tiene un efecto secundario: retarda la apertura. El relé suelta cuando la corriente baja de un valor, que depende del relé (algunas décimas de la nominal); con un diodo, eso lleva unos milisegundos. Si el retardo es un problema (un solenoide rápido, un motor que debe frenar), se agrega un zener en serie con el diodo: la corriente baja casi linealmente y casi diez veces más rápido, a costa de que el transistor deba soportar V + V_Z. La tercera herramienta del laboratorio calcula los tres casos.

Reglas: el diodo debe soportar la corriente nominal de la carga (un 1N4148 para bobinas pequeñas, un 1N4007 o un Schottky para más de 300 mA); se coloca lo más cerca posible de la bobina; y se pone en toda carga inductiva, incluso si «funciona sin él»: el daño es acumulativo. Los motores, además, se complementan con un capacitor cerámico de 100 nF entre sus terminales, para reducir el ruido de las escobillas.

06 · Contactos y aislamiento

Relés y relés de estado sólido

Un relé electromecánico es un interruptor accionado por un electroimán: una bobina atrae una armadura que cierra (o abre) contactos. Sus ventajas son el aislamiento galvánico total entre la bobina y los contactos, y la capacidad de conmutar tensiones altas y de CA (10 A a 250 V en los comunes). Sus desventajas: son lentos (5 a 15 ms), tienen desgaste (de 100 000 a un millón de operaciones), producen rebotes de contacto y ruido, y su bobina es una carga inductiva que pide transistor y diodo.

• Módulos de relé. Las plaquetas comerciales incluyen el transistor, el diodo y un optoacoplador. Muchas son de activación en nivel bajo: el relé se energiza cuando el pin está en 0. Hay que tenerlo en cuenta al arrancar: durante el reinicio los pines están en alta impedancia y algunos módulos disparan el relé.
• Calificación de los contactos. Los valores (10 A, 250 V CA) son para cargas resistivas. Con cargas inductivas o capacitivas (motores, lámparas, fuentes), la capacidad real es bastante menor. En CC, extinguir el arco es más difícil que en CA.
• Rebotes y arcos. Los contactos rebotan unos milisegundos al cerrar; un circuito supresor (resistencia y capacitor en serie, o un varistor) amortigua el arco en cargas de CA.
• Frecuencia de maniobra. Un programa que enciende y apaga un relé a cada vuelta del lazo lo destruye en minutos. Se impone un tiempo mínimo entre cambios (histéresis y retardo).

El relé de estado sólido (SSR) conmuta CA con un triac o tiristores y un optoacoplador de entrada: sin partes móviles, sin ruido, con vida casi ilimitada y respuesta rápida. Los de «cruce por cero» conectan solo cuando la tensión pasa por 0 V, lo que reduce las interferencias. Disipan calor (aprox. 1 V por amperio) y exigen disipador. No sirven para CC salvo los específicos para CC.

07 · Moverse en los dos sentidos

Motores y el puente H

Un motor de corriente continua gira en un sentido u otro según la polaridad de la tensión que recibe. Para invertir la polaridad con interruptores electrónicos se usa el puente H: cuatro llaves en forma de H con el motor en el travesaño. Cerrando las llaves diagonales se aplica la tensión en un sentido o en el otro.

El programa nunca debe encender las dos llaves de un mismo lado a la vez. Al cambiar de sentido conviene un tiempo muerto (apagar todo unas decenas de microsegundos o milisegundos antes de encender el nuevo estado). Los drivers integrados lo imponen en hardware.

La velocidad se regula con PWM (tema 25) aplicada a una de las llaves. Dos cuestiones de elección de frecuencia: por debajo de 20 kHz muchos motores silban (la frecuencia cae en la banda audible); y la inductancia del motor suaviza la corriente, por lo que a frecuencias altas la corriente es casi continua.

Y un dato que siempre sorprende: la corriente nominal de un motor no es la que debe soportar el driver. Un motor de 6 V con 3 Ω de resistencia de bobinado consume 400 mA girando libre, pero si se traba (stall) la corriente es 6 V / 3 Ω = 2 A. Al arrancar, la corriente es similar a la de trabado. El driver y la fuente deben aguantar esos picos, o se limita la corriente.

08 · Todo en un chip

Drivers integrados

En lugar de armar interruptores discretos, se usa un circuito integrado que reúne transistores, diodos y protecciones:

Con un ULN2003 la conexión es simple: las entradas van a los pines del microcontrolador, las salidas a las cargas, el pin COM al positivo de la carga (activa los diodos de rueda libre) y la masa se une con la del microcontrolador. Cada salida «hunde» corriente: la carga queda entre +V y la salida; un 1 en la entrada la lleva a masa.

Los drivers de puente H con entradas de dirección (IN1, IN2) y habilitación (ENA, que recibe la PWM) liberan al programador del tiempo muerto y de los estados prohibidos. Lo que sigue importando es la corriente máxima, la caída de tensión y la disipación de calor.

09 · Cuidar el microcontrolador

Alimentación, masa y aislamiento

La mayoría de los fallos de un proyecto con actuadores no son de programa sino de alimentación:

• Fuente separada para la carga. Un motor o un servo no se alimentan del regulador de 5 V del Arduino ni del USB (500 mA como máximo, compartidos con todo). Se usa una fuente propia con la corriente máxima de arranque del actuador.
• Masa común. Las masas de ambas fuentes se unen; si no, la señal del pin no tiene referencia y el transistor no sabe cuándo encender. La conexión debe hacerse en un solo punto, cerca de la fuente de potencia, y los cables de gran corriente no deben compartir el camino de la señal.
• Desacoplo. Un capacitor electrolítico de 100 a 470 µF y uno cerámico de 100 nF en los terminales de la fuente de potencia, cerca del driver, entregan los picos de corriente del arranque. Otro cerámico de 100 nF en los terminales del microcontrolador.
• Caídas de tensión. Cuando arranca un motor, la tensión cae y puede hacer que el microcontrolador baje de su umbral de brown-out (tema 13) y se reinicie. Síntoma típico: «se reinicia cada vez que acciona el motor». Se arregla con capacitores, cables más gruesos o fuentes separadas.
• Estado al encender. Durante el reinicio los pines están en alta impedancia (entradas). El orden de inicialización importa: primero se escribe el nivel de salida y después se configura el pin como salida. Con pull-downs externos (10 kΩ) los actuadores quedan apagados hasta que el programa los comande.
• Aislamiento galvánico. Cuando la carga es peligrosa o ruidosa (red, motores grandes), un optoacoplador (un LED y un fototransistor en un encapsulado) separa eléctricamente la señal: no hay conexión de masa entre ambos lados. Los módulos de relé suelen llevarlo; la señal del pin pasa por el LED y la potencia por el otro lado.

// Inicializar una salida que maneja una carga: primero el nivel, después la dirección
#define F_CPU 16000000UL
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

#define RELE_ON()   (PORTD |=  (1 << PD4))
#define RELE_OFF()  (PORTD &= ~(1 << PD4))

static void actuadores_init(void) {
    PORTD &= ~((1 << PD4) | (1 << PD5));   // niveles de salida en 0 (apagado) antes de activarlos
    DDRD  |=  (1 << PD4) | (1 << PD5);      // ahora sí son salidas: nacen en 0, sin pulso espurio
}

// Maneja un relé con un tiempo mínimo entre cambios para no destruir los contactos
static uint32_t ultimo_cambio_ms;
static uint8_t  estado_rele;

static void rele_pedir(uint8_t encender, uint32_t ahora_ms) {
    if (encender == estado_rele) return;
    if (ahora_ms - ultimo_cambio_ms < 2000) return;   // al menos 2 s entre maniobras
    estado_rele = encender;
    ultimo_cambio_ms = ahora_ms;
    if (encender) RELE_ON(); else RELE_OFF();
}

// Cambio de sentido de un motor con puente H: primero soltar, después invertir (tiempo muerto)
#define IN1_ALTO()  (PORTD |=  (1 << PD5))
#define IN1_BAJO()  (PORTD &= ~(1 << PD5))
#define IN2_ALTO()  (PORTD |=  (1 << PD4))
#define IN2_BAJO()  (PORTD &= ~(1 << PD4))

static void motor_sentido(int8_t dir) {            // −1, 0 (libre) o +1
    IN1_BAJO(); IN2_BAJO();                         // suelta ambos lados
    _delay_ms(10);                                  // tiempo muerto
    if (dir > 0) IN1_ALTO();
    else if (dir < 0) IN2_ALTO();
}

10 · Analogía con programación

Calcular y simular la etapa de potencia

Este programa calcula la resistencia de base de un transistor para varias cargas, las pérdidas y el calentamiento de un MOSFET, integra numéricamente la descarga de una bobina para comprobar las fórmulas del diodo y del zener, y revisa el presupuesto de corriente de un Arduino Uno.

import math

# 1) resistencia de base de un transistor bipolar usado como interruptor (beta forzada = 10)
E12 = [10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82]
serie = sorted(b * 10 ** d / 10 for d in range(0, 6) for b in E12)

def rb_comercial(rb):
    return max(r for r in serie if r <= rb)

print("carga       IB necesaria   Rb exacta   Rb E12   IB real   pin")
for ic_ma in (20, 70, 150, 400):
    ic = ic_ma / 1000
    ib = ic / 10
    rb = (5 - 0.7) / ib
    real = rb_comercial(rb)
    ib_real = (5 - 0.7) / real
    aviso = "" if ib_real <= 0.02 else "  <- excede 20 mA: usar MOSFET o Darlington"
    print(f"{ic_ma:5d} mA   {ib * 1000:8.1f} mA   {rb:8.0f} ohm  {real:5.0f}    {ib_real * 1000:6.1f} mA{aviso}")

# 2) MOSFET: perdidas por conduccion y calentamiento sin disipador
print()
print("corriente   Rds(on)   perdida   subida de temperatura (62 C/W)")
for i in (2, 5, 10):
    p = i * i * 0.030
    print(f"{i:6d} A    30 mohm   {p:5.2f} W   {p * 62:6.1f} C")
print("a 5 V una compuerta de 48 nC con 220 ohm tarda", f"{48e-9 / ((5 - 2.5) / 220) * 1e6:.1f} us", "y toma", f"{5 / 220 * 1000:.1f} mA de pico")

# 3) descarga de una bobina: integracion numerica frente a las formulas
def descarga(L, R, i0, v_extra, frac=0.1, dt=1e-6):
    # la bobina se abre sobre un diodo (0,7 V) y, opcionalmente, un zener en serie (v_extra)
    i, t = i0, 0.0
    while i > frac * i0:
        if v_extra == 0:
            didt = -(R * i + 0.7) / L          # decaimiento por el diodo (0,7 V) y la resistencia de la bobina
        else:
            didt = -(R * i + 0.7 + v_extra) / L
        i += didt * dt
        t += dt
    return t

L, R, V = 0.100, 71.0, 5.0
i0 = V / R
tau = L / R
formula_exp = tau * math.log((i0 + 0.7 / R) / (0.1 * i0 + 0.7 / R))
sim_diodo = descarga(L, R, i0, 0)
formula_zener = tau * math.log((i0 + 24.7 / R) / (0.1 * i0 + 24.7 / R))
sim_zener = descarga(L, R, i0, 24)
print()
print(f"corriente de la bobina: {i0 * 1000:.1f} mA, energia {0.5 * L * i0 ** 2 * 1e6:.0f} uJ, tau = {tau * 1000:.2f} ms")
print(f"con diodo : formula {formula_exp * 1000:.2f} ms, simulacion {sim_diodo * 1000:.2f} ms (la formula incluye la caida de 0,7 V del diodo)")
print(f"con zener : formula {formula_zener * 1e6:.0f} us, simulacion {sim_zener * 1e6:.0f} us")
print(f"sin diodo, si se corta en 1 us: pico teorico {L * i0 / 1e-6:.0f} V (en la practica lo limita el arco o la ruptura)")

# 4) presupuesto de corriente de un Arduino Uno
pines = 6
print()
print(f"{pines} pines a 20 mA = {pines * 20} mA de {200} mA que admite el chip en total (limite del datasheet)")
for carga, ma in (("rele de 5 V", 70), ("motor pequeno", 250), ("LED de potencia", 350)):
    print(f"  {carga:16s}: {ma:4d} mA -> {'directo desde un pin: NO' if ma > 40 else 'directo: al limite'}")

Resultado: un relé de 70 mA pide 7 mA de base y una resistencia de 614 Ω (560 Ω normalizada, 7,7 mA); con 400 mA la base pediría 43 mA y hay que cambiar a otro dispositivo. Un MOSFET de 30 mΩ pierde 0,12 W con 2 A, 0,75 W con 5 A (+46 °C sin disipador) y 3 W con 10 A (+186 °C). La integración numérica de la bobina coincide con las fórmulas: 2,19 ms con diodo y 232 µs con zener de 24 V. Sin diodo, la fórmula L·I/t da 7042 V si el corte tarda 1 µs, un valor teórico que en la práctica lo limita la ruptura. Y ningún relé, motor o LED de potencia se puede alimentar directo desde un pin.

La simulación de la bobina es un modelo ideal de primer orden: el diodo se toma con 0,7 V fijos y no hay capacidades parásitas ni tiempo de recuperación.

11 · Exploración interactiva

Transistor, MOSFET y bobina

La primera herramienta calcula la resistencia de base de un transistor. La segunda estima las pérdidas y el calentamiento de un MOSFET. La tercera muestra qué pasa al apagar una bobina con y sin protección.

Recorrido guiado

1. Con 70 mA y 5 V: R_B ideal de 614 Ω, normalizada de 560 Ω y 7,68 mA del pin. Subí la carga a 400 mA: 100 Ω y 43 mA, y la nota recomienda cambiar de componente.
2. Pasá el pin a 3,3 V con 150 mA: R_B = 173 Ω → 150 Ω, I_B = 17,3 mA, justo bajo el límite de 20 mA.
3. En el MOSFET, 5 A con 30 mΩ pierden 0,75 W; con la conmutación a 490 Hz suman 0,87 W y +54 °C. Subí la PWM a 20 kHz: la conmutación pasa a 5 W porque una compuerta de 220 Ω tarda 4 µs en cargarse; la pérdida de conmutación domina.
4. Cambiá la compuerta a 3,3 V sin tocar la R_DS(on): la nota avisa que el dato se especificó a 4,5 V.
5. En la bobina: 70 mA, 248 µJ y L/R = 1,41 ms. Sin diodo, los 7042 V teóricos; con diodo, 2,19 ms; con zener de 24 V, 231 µs (9,5 veces más rápido) pero el transistor ve 29,7 V.
6. Probá con el zener en 0: desaparece la línea del zener. Aumentá la inductancia a 1 H: los tiempos se multiplican por 10.

12 · Comprensión

Confusiones frecuentes

13 · Práctica guiada

Predecí antes de comprobar

1. Resistencia de base

Un pin de 3,3 V maneja una carga de 150 mA con un transistor NPN (β forzada de 10, V_BE = 0,7 V). ¿Qué resistencia de base se usa y cuánto pide el pin?

2. Calentamiento de un MOSFET

Un MOSFET de 50 mΩ maneja 4 A de forma continua en un encapsulado con 62 °C/W y sin disipador. ¿Cuánto se calienta?

3. La energía de una bobina

Un relé de 12 V tiene 200 Ω y 0,5 H. ¿Qué corriente circula y cuánta energía almacena su campo?

4. La corriente de trabado

Un motor de 6 V con resistencia de bobinado de 3 Ω consume 400 mA girando libre. ¿Qué corriente debe soportar el driver si el motor se traba?

5. Un presupuesto de pines

Se quieren encender 8 LED de 20 mA directamente desde pines del ATmega328P. ¿Se puede, y qué precaución conviene?

14 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el tema 39?

Antes de avanzar, calculá la resistencia de base de un transistor para una carga dada, explicá por qué una bobina necesita un diodo y por qué un motor pide más corriente al trabarse que girando. Si podés justificar las tres respuestas, tenés la base de la etapa de potencia.

En el próximo tema, un taller: motor de corriente continua, relé y paso a paso. Controlaremos velocidad y sentido con un puente H y PWM, un relé con protección y un motor paso a paso con sus secuencias.