Control de velocidad y sentido de giro de un motor de corriente continua

En esta práctica se integran dos conceptos fundamentales para el control de motores de corriente continua: la inversión del sentido de giro mediante un puente H y el control de velocidad mediante modulación de ancho de pulso (PWM).

El circuito está diseñado para trabajar con una alimentación de 12 Vcc y permite que el estudiante controle independientemente ambas variables del motor: el sentido de giro mediante el interruptor de selección y la velocidad mediante un potenciómetro.

1. Control del sentido de giro mediante un puente H

El primer bloque del circuito corresponde al puente H, encargado de invertir la polaridad aplicada al motor.

El nombre puente H proviene de la forma en que se distribuyen los cuatro transistores alrededor del motor:

Q1 y Q2: TIP32, transistores PNP de la rama superior.
Q3 y Q4: TIP41, transistores NPN de la rama inferior.
M1-M2: motor de corriente continua.
D1, D2, D3 y D4: diodos de protección.

La estructura puede representarse conceptualmente como:


                 +12 V
                  │
             ┌────┴────┐
            Q1        Q2
             │         │
             ├── MOTOR ┤
             │         │
            Q4        Q3
             └────┬────┘
                  │
                 GND

El principio de funcionamiento es sencillo: para hacer girar el motor en un sentido se activa una diagonal del puente y, para invertirlo, se activa la diagonal opuesta.

Por ejemplo:

+ V \to Q 1 \to M o t or \to Q 3 \to GN D

produce una circulación de corriente en un sentido.

Mientras que:

+ V \to Q 2 \to M o t or \to Q 4 \to GN D

produce una circulación de corriente en sentido contrario.

Por tanto, la inversión del sentido de giro se consigue invirtiendo la dirección de la corriente que atraviesa el motor.

2. Selección del sentido de giro

En el circuito se dispone de un interruptor identificado como S-GIRO. Su función es seleccionar qué combinación de transistores debe conducir.

Es importante comprender que el interruptor no está modificando directamente la velocidad del motor. Su función es únicamente determinar la polaridad aplicada al motor.

De esta manera:

S-GIRO → sentido de giro

PWM → velocidad

Esta separación permite estudiar ambas funciones de manera independiente antes de integrarlas en un único controlador.

3. Diodos de protección del puente H

Los diodos asociados al puente H cumplen una función fundamental debido a que el motor posee bobinados, por lo que presenta un comportamiento inductivo.

Cuando se interrumpe rápidamente la corriente que circula por el motor, la inductancia intenta mantener dicha corriente. Como consecuencia puede aparecer una sobretensión capaz de dañar los transistores.

Los diodos proporcionan un camino alternativo para esa corriente y ayudan a limitar las sobretensiones producidas durante la conmutación.

Por esta razón, los diodos D1, D2, D3 y D4 deben mantenerse correctamente orientados y no deben eliminarse del circuito.

4. Control de velocidad mediante PWM

La segunda parte del circuito utiliza un temporizador NE555 para generar una señal de modulación por ancho de pulso, conocida como PWM (Pulse Width Modulation).

La idea fundamental consiste en aplicar al motor una señal que alterna rápidamente entre:

0 V

12 V

El motor recibe pulsos de tensión en lugar de una tensión continua constante.

La velocidad depende principalmente de la relación entre el tiempo que la señal permanece en nivel alto y el período total.

Esta relación recibe el nombre de ciclo de trabajo o duty cycle:

D = \frac{T _{a lt o}}{T} \times 100

Por ejemplo, una señal con un ciclo de trabajo del 50 % permanece aproximadamente la mitad del tiempo activada y la otra mitad desactivada.

Al aumentar el ciclo de trabajo, aumenta la tensión media aplicada al motor y, en condiciones comparables de carga, aumenta su velocidad.

5. El temporizador 555 utilizado como generador PWM

En el circuito se utiliza:

R9 = 1 kΩ
RV1 = 10 kΩ
C2 = 1 µF
D8 y D9 = 1N4007

El potenciómetro RV1 está dividido mediante los dos diodos en dos caminos diferentes de carga y descarga del condensador.

Esta es una característica importante del circuito: los dos diodos permiten separar los caminos de carga y descarga del condensador.

Cuando el condensador se carga, la corriente atraviesa una parte del potenciómetro.

Cuando se descarga, la corriente utiliza la otra parte del potenciómetro.

Por tanto, al girar el potenciómetro se modifica la proporción entre:

Talto

Tbajo

sin necesidad de modificar significativamente el período total.

6. Cálculo de la frecuencia del PWM

En este circuito, considerando el comportamiento ideal del 555 y los valores utilizados, los tiempos pueden expresarse como:

T_{a lt o} = 0.693 (R_{9} + R_{x}) C_{2}

T_{baj o} = 0.693 [R_{9} + (R_{V 1} - R_{x})] C_{2}

donde Rx representa la parte del potenciómetro utilizada durante la carga.

Al sumar ambos tiempos:

T = T_{a lt o} + T_{baj o}

se obtiene:

T = 0.693 (2 R_{9} + R_{V 1}) C_{2}

Por tanto, la frecuencia es:

f = \frac{1}{0.693 ( 2 R _{9} + R _{V 1} ) C _{2}}

Sustituyendo:

R_{9} = 1 k Ω

R_{V 1} = 10 k Ω

C_{2} = 1 μ F

tenemos:

f = \frac{1}{0.693 ( 2 ( 1000 ) + 10000 ) ( 1 \times 1 0 ^{- 6} )}

f \approx 120.3 Hz

Por tanto, la frecuencia de trabajo del PWM es aproximadamente 120 Hz.

Un aspecto interesante es que, idealmente, al mover el potenciómetro cambia principalmente el ancho de los pulsos, mientras que la frecuencia permanece aproximadamente constante.

7. Acción del potenciómetro y los dos diodos

El potenciómetro de 10 kΩ constituye el elemento que permite modificar el ciclo de trabajo.

Podemos imaginarlo dividido en dos resistencias:

R_{V 1} - R_{x}

Al girar el eje del potenciómetro, una de ellas aumenta mientras la otra disminuye.

Los diodos D8 y D9 hacen posible que cada una de esas partes participe predominantemente en uno de los procesos:

un camino determina principalmente el tiempo de carga;
el otro determina principalmente el tiempo de descarga.

De esta manera podemos modificar:

Talto

Tbajo

y, por consiguiente, el ciclo de trabajo:

D = \frac{T _{a lt o}}{T _{a lt o} + T _{baj o}} \times 100

Esta es precisamente la razón por la que los dos diodos son necesarios para obtener un PWM regulable mediante un único potenciómetro.

8. Rango aproximado del ciclo de trabajo

Considerando los extremos del potenciómetro, el tiempo mínimo asociado a uno de los caminos está determinado aproximadamente por R9, mientras que el máximo incorpora prácticamente toda la resistencia del potenciómetro.

Con:

R_{9} = 1 k Ω

R_{V 1} = 10 k Ω

el ciclo de trabajo teórico se aproxima a:

D_{min} \approx \frac{1}{12} \times 100

Dmin≈8.3%

D_{ma x} \approx \frac{11}{12} \times 100

Dmax≈91.7%

En la práctica estos valores pueden ser algo diferentes debido a las características reales del NE555, los diodos, el potenciómetro y el motor.

Por tanto, el circuito proporciona aproximadamente un rango de:

8%−92%

de ciclo de trabajo.

9. ¿Qué ocurre con el motor?

La señal PWM generada por el 555 se utiliza para controlar la etapa de potencia.

Cuando el ciclo de trabajo es pequeño, el motor recibe pulsos relativamente cortos y la tensión media aplicada es menor.

Al aumentar el ciclo de trabajo:

D↑

aumenta el tiempo durante el cual el motor recibe energía y, en consecuencia, aumenta su velocidad.

De manera simplificada:


D pequeño       → velocidad baja

D medio         → velocidad media

D grande        → velocidad alta

No debemos interpretar esto como que el motor recibe simplemente una tensión continua igual al valor medio. En realidad, recibe pulsos de tensión, pero debido a su inercia mecánica y a las características eléctricas de sus bobinados, el efecto observable es una modificación de la velocidad.

10. Integración de ambos controles

Una vez comprendidos ambos bloques podemos observar que el circuito completo posee dos funciones independientes:

Elemento	Función
NE555 + RV1	Generación y regulación del PWM
D8 y D9	Separación de los caminos de carga y descarga
Q1–Q4	Etapa de potencia del puente H
S-GIRO	Selección del sentido de giro
D1–D4	Protección de los transistores
M1-M2	Motor de corriente continua

El sistema puede resumirse entonces como:

PWM→VelocidadPuente H→Sentido de giro

Esta separación resulta especialmente útil para comprender los sistemas de control de motores: una variable determina cuánto tiempo se entrega energía al motor y la otra determina en qué dirección circula dicha energía.

11. Una precaución fundamental

Al trabajar con el puente H, debe mantenerse la misma precaución estudiada en la práctica anterior: no deben activarse simultáneamente las dos órdenes que produzcan conducción de ramas opuestas del puente.

Una combinación incorrecta puede provocar conducción simultánea de los transistores superiores e inferiores y generar una corriente muy elevada directamente desde la fuente.

Por ello, antes de invertir el sentido de giro es recomendable:

Reducir el PWM.
Desactivar el sentido actual.
Seleccionar el sentido contrario.
Volver a incrementar progresivamente el PWM.

Esto permite realizar la inversión de manera mucho más segura y evita someter innecesariamente a los transistores a corrientes elevadas.

Resultado esperado

Al finalizar la práctica, el estudiante deberá ser capaz de controlar la velocidad de un motor CC mediante PWM y modificar su sentido de giro mediante un puente H, comprendiendo que ambas funciones pueden implementarse mediante bloques electrónicos independientes y posteriormente integrarse en un único controlador.

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