Juguetes controlados por radio, así como muchos otros aparatos de control remoto, hacen uso de pequeños motores de corriente continua. Se los encuentra en diversos tamaños con potencias de alrededor de milésimos de caballos de fuerza; estos motores se pueden usar en una infinidad de aplicaciones interesantes. Conocer el principio de funcionamiento de estos pequeños motores puede ser de gran importancia para el proyectista.
¿Cómo funcionan los pequeños motores de corriente continua, como los que hallamos en los juguetes a pila? ¿De qué modo es posible alterar o modificar su sentido de rotación? Si el lector es aficionado del radiocontrol, o simplemente ya desarmó algún juguete de su hijo o sobrino para repararlo, ciertamente debe haber pensado en estas cuestiones.
De hecho, estos pequeños dispositivos, por su reducido tamaño y por su eficiencia, llaman la atención del hobista, y más aún si consideramos la enorme variedad de tamaños y tipos que existen de ellos.
Los pequeños motores de corriente continua, como el nombre sugiere, son proyectados para funcionar con pilas o baterías, con tensiones en la banda de 1,5 a 12V y con potencias diminutas, que normalmente están alrededor de un milésimo de caballo de fuerza.
Pero incluso un milésimo de caballo, cuando se lo usa convenientemente, puede llevar un autito de juguete o una lanchita a una velocidad considerable (figura 1).
Pero, ¿cómo funcionan estos motorcitos?
Funcionamiento
En la figura 2 tenemos la estructura simplificada de un pequeño motor de corriente continua que hace uso de imanes permanentes.
Como ya saben los lectores, una bobina formada por muchas vueltas de alambre esmaltado, cuando es recorrida por una corriente eléctrica crea un campo magnético, del mismo modo que un imán, cuya polaridad depende del sentido de la corriente. Podemos invertir Ia polaridad del campo magnético, simplemente por la inversión del sentido de circulación de la corriente (figura 3).
Pues bien, en la estructura indicada en la figura 2, partiendo de la situación inicial en que la bobina se encuentra alineada con el imán, hacemos circular una corriente en determinado sentido.
Este sentido es tal que el campo magnético del imán interactúa con el campo de la propia bobina, provocando su movimiento: los polos de la bobina son atraídos por los polos opuestos del imán y repelidos por los polos del mismo nombre. EI norte atrae al sur, por lo tanto el norte repele al norte y el sur repele al sur.
El resultado es un movimiento de la bobina en el sentido de que los polos de nombre diferentes se acerquen. Pero la bobina está montada de tal manera que existen en acción dos conmutadores (figura 4).
La función de este conmutador es invertir el sentido de circulación de la corriente en cada media vuelta de la bobina. ¿Por qué es esto?
Para facilitar el análisis de su acción, y del funcionamiento completo del motor, vamos a llamar N y S a los polos del imán permanente, y A y B a los polos de la bobina.
Partimos entonces de la situación inicial, mostrada en (1) en la figura 5.
En esta situación, el polo N atrae al polo A y el S atrae al polo B, en vista del sentido de circulación de la corriente que es forzada a circular por la bobina. Se inicia el movimiento en el sentido del reloj.
Cuando a los polos A y B de la bobina que se mueve están por acercarse a los polos del imán que los atraen, ocurre la inversión del sentido de la corriente, por acción del conmutador, mostrándose esto en (2). El resultado es que ahora, el polo N pasa a repeler el polo A y atraer al B, mientras que el polo S pasa a atraer a A y repeler a B.
Con el comienzo del movimiento, Ia inercia adquirida por la bobina hace que la misma continúe su movimiento ahora en el sentido de adquirir la nueva posición determinada por la atracción del imán, o sea, media vuelta más. Pero cuando se está por completar esta media vuelta más, como muestra la figura en (3), el conmutador nuevamente invierte el sentido de circulación de la corriente.
El resultado, como puede imaginar el lector, es que la posición de atracción para los polos de la bobina vuelve a desplazarse media vuelta más, obligando así al rotor de la bobina & continuar en movimiento.
Por más que la bobina gire en el sentido de encontrar su posición de equilibrio, nunca lo alcanzará, pues siempre cuando está por llegar ese instante, la polaridad es invertida por el conmutador y el movimiento continua. Mientras haya corriente circulando por la bobina y por lo tanto exista provisión de energía eléctrica al motor, el mismo gira y con ello podemos conseguir fuerza mecánica.
El lector ya debe haber percibido que, si en la situación inicial la polaridad se invierte en la alimentación, el polo que atraerá ala bobina en su extremo A no será más el N, y si el 8 y el movimiento comenzará en sentido contrario (figura 6).
La velocidad de rotación de estos pequeños motores depende de diversos factores, como por ejemplo, su propia constitución mecánica y también la tensión de alimentación, sin hablar de la carga, o sea, la fuerza que debe hacer.
Una manera de controlar la velocidad de un motor de este tipo es a través de la tensión aplicada, y para eso existen diversas posibilidades.
Control de velocidad
El control más simple que podemos tener para un motor pequeño consiste en un potenciômetro de alambre o reóstato, que es conectado en serie, como muestra la figura 7.
Sin embargo, este proceso presenta diversos inconvenientes, como, por ejemplo, el hecho de que el potenciômetro debe disipar una buena potencia, tendiendo a calentarse. Además, este control no mantiene el torque del motor, o sea, su fuerza, en las rotaciones bajas.
Con un control de este tipo, el motor no acelera linealmente, sino que da un "salto" y parte ya con cierta velocidad cuando abrimos un poco la alimentación.
Los controles electrónicos, además de más eficientes en el aprovechamiento de la energía proporcionada por la fuente, que no disipan gran potencia, como el potenciómetro solo, también permiten mantener el torque y la linealidad de la aceleración.
En la figura 8 mostramos un control simple del tipo "reóstato electrónico", en que el potenciômetro es cambiado por un transistor, que sin embargo actúa casi del mismo modo.
La ventaja en este caso está sólo en la disminución de la disipación de potencia o perdida en forma de calor, que son mucho menores, permitiendo el uso de un potenciômetro común de baja disipación.
El control mostrado se presta para motores de 3 a 12V con corrientes de hasta 500mA.
EI montaje en un pequeño puente de terminales aparece en la figura 9, observándose que el transistor debe ser dotado de un disipador de calor, principalmente si el motor controlado exige, en las condiciones máximas, corriente de más de 100mA.
Para corrientes mayores, el transistor puede ser el 2N3055 con un buen disipador de calor.
En la conexión del potenciômetro es muy importante elegir correctamente el orden de los terminales para que Ia aceleración ocurra cuando giramos su eje para la derecha y no al contrario.
En la figura 10 sugerimos la aplicación de un control de este tipo en un control "por cable" de un autito.
Si el motor puede ser alimentado por la red local, a través de un transformador, como ocurre en una pista de carrera de autitos, o bien con un tren eléctrico, existe la posibilidad de hacerse el control pulsante de velocidad con SCR, como muestra el circuito de la figura 11.
En este circuito el motor trabaja con corriente continua pulsante, o sea, con pulsos de duración variable, que es determinada por la conducción del SCR. El ángulo de conducción del SCR determina la parte de cada pulso que llega al motor y por lo tanto su velocidad.
En la posición de mayor resistencia del potenciômetro sólo es conducida una parte muy pequeña de cada pulso por el SCR y la velocidad del motor es mínima. En la posición de menor resistencia el pulso entero es conducido y la velocidad del motor es máxima.
Con el SCR indicado, se pueden controlar motores de hasta 1A o más, con tensiones de alimentación entre 3 y 12V. Debe observarse que existe una pequeña caída de tensión en el SCR, del orden de 2V, que debe ser prevista, y también que, para corrientes por encima de 200 mA, debe ser montado en un buen disipador de calor.
El transformador debe tener la misma tensión de alimentación del motor, ya que después de la rectificación ocurre una elevación de valor de pico, la cual es a su vez compensada por la caída en el SCR.
La corriente del transformador debe ser la corriente máxima exigida por el motor.
Tenemos finalmente en la figura 12, un control por pulsos, pero que también puede trabajar con corriente continua pura, o sea, a partir de pilas o baterías.
En este caso, lo que tenemos es un multivibrador astable cuya frecuencia y simetría de los pulsos determinan la potencia que recibe el motor y que puede ser modificada en una buena banda a través de un potenciômetro.
Son los capacitores C1 y C2 los que determinan la banda de control del circuito y también el comportamiento en cuanto a la frecuencia.
Conforme el tipo de motor, estos capacitores deben ser modificados en el sentido de obtener mayor torque. Para los valores del diagrama, se consigue un buen control con motores de 6V y corriente máxima de 500 mA.
El transistor de salida (Q3) debe ser capaz de conducir la corriente exigida por el motor, y si esta fuera superior a 100mA, debe ser montado en un buen disipador de calor.
El montaje podrá hacerse tanto en placa de circuito impreso como en puente de terminales. En la figura 13 tenemos nuestra sugerencia de montaje en puente.
Los transistores Q1 y Q2 pueden ser de cualquier tipo NPN de uso general y los resistores todos de 1/8W. Los capacitores son cerámicos o de poliéster, con valores entre 100 nF y 470 nF. El mejor valor dependerá del tipo de motor que el lector pretende controlar.
Del mismo modo, pequeñas alteraciones en los valores del resistor R2 y del potenciômetro pueden ser necesarias para cubrir toda la banda de rotaciones del motor y obtener mayor potencia.
Problemas
Son diversos los tipos de problemas que pueden presentar los motorcitos de corriente continua.
EI principal es la formación de una capa de óxido en las láminas de cobre que en la mayoría de los tipos, sirve de contacto para los conmutadores. En estas condiciones el motor puede negarse a arrancar o incluso fallar.
La solución, en este caso, consiste en una limpieza con lija para quitar la capa de óxido.
Otro problema consiste en el desgaste que acaba por perjudicar el contacto de las láminas. En este caso, la solución consiste en forzar la aproximación de las láminas del rotor de modo de rehacer el contacto, y si hubiera posibilidad, hasta proceder a su remplazo.
En ciertos tipos de motores puede encontrar en el conmutador un par de "carbones" que, con el tiempo, acaban por gastarse. La solución en este caso consiste en su cambio.
La lubricación del motor en los puntos principales también sirve para mejorar su desempeño y debe hacerse de tiempo en tiempo.
1989