Control de velocidad motor DC con PWM y NE555

Control de velocidad motor DC con PWM

Hola, bienvenidos a esta nueva entrada donde te mostraré cómo controlar la velocidad de un motor de corriente continua (DC) de hasta 12V. Este es un proyecto bastante común dado que tarde que temprano debemos hacerlo si nos involucramos con electrónica de alguna manera, también será la base de algunos proyectos a futuro que requieren la acción de motores DC, así que también es un proyecto bastante práctico que nos ahorrará tiempo de implementación en otros proyectos.

Descripción

El control de velocidad de motores DC se realiza con PWM, te explicaré muy brevemente qué es esto y cómo nos ayudará a realizar nuestro cometido. Te mostraré el circuito a implementar, su respectiva simulación y montaje prototipo para probarlo. Finalmente, te mostraré la elaboración artesanal de un circuito impreso (PCB) para afianzar el proyecto y poder utilizarlo después.

Breve teoría

PWM

El PWM por sus siglas en inglés Pulse Width Modulation traducido como Modulación de ancho de pulso, es lo que permite, en este proyecto, controlar la velocidad de motores (es utilizado en otras aplicaciones como el brillo de luces). Como su nombre lo indica, se trata de controlar el ancho de un pulso como los siguientes

PWM: Pulse Width Modulation.

Estos son pulsos cuadrados que van oscilando entre dos niveles denominados lógicamente como 'alto' y 'bajo', en términos eléctricos, estos niveles son representados con valores de voltajes, pueden ser valores de 3.3V y 0V, 5V y 0V, 12V y 0V e incluso +5V y -5V para los niveles alto y bajo respectivamente, estos valores dependen netamente de la aplicación que realicemos. Para este proyecto usaremos valores de 12V y 0V para los niveles.

Como podemos ver, estos pulsos tienen un periodo, éste es el tiempo que dura el pulso tanto en estado alto como en estado bajo, nuestra meta es regular el ancho del pulso mientras está en estado alto (también se puede hacerlo con el estado bajo, pero por convención se usa el estado alto). La porción del periodo en el que la señal está en estado alto se denomina Duty Cycle (Ciclo útil) y se expresa como un porcentaje, modificar o controlar el Duty Cycle nos permite tener pulsos con nivel alto más o menos ancho, por ejemplo, con un Duty Cycle de 20%, el ancho del pulso en su nivel alto, es más delgado que el ancho del pulso en su nivel bajo. 

Voltaje promedio según Duty Cycle.

Pero, ¿Cómo esto nos ayuda a controlar la velocidad de un motor?, pues bien, la velocidad del motor depende del voltaje aplicado en sus terminales. Pero, en realidad, depende del voltaje promedio en ellos, y resulta que el PWM nos permite tener un voltaje promedio según el ancho del pulso que tengamos.

Podemos observar este voltaje promedio representado con la línea verde. La ventaja de utilizar PWM para regular el voltaje promedio, es que este nos permite hacerlo de una manera más eficiente que si lo hiciéramos con una resistencia variable, ya que esta puede llegar a transformar la energía eléctrica en calor, lo cual es ineficiente.

NE555

Ahora, ¿Cómo implementamos un PWM electrónicamente? para eso haremos uso de un circuito integrado (CI)  llamado NE555, sin entrar mucho en detalles, básicamente este CI es un temporizador bastante preciso que nos permite trabajar con el tiempo y hacer bastantes cosas, es fácil de manejar con algunas resistencias y capacitores, es muy utilizado en aplicaciones como retardos y oscilaciones, para mayor información visita su datasheet. 

NE555 P-DIP 8.

NE555 Pinout.

Implementación

Diseño

Lista de materiales que necesitamos

1. Asignación    Componente                 Valor
   
2. C1                Capacitor electrolítico    10µF x 16V
3. C2, C3          Capacitor cerámico        100nF x 50V
4. R1                 Resistencia                   1 kΩ 1/4W
5. R2                Resistencia                   510Ω 1/4W
6. D2, D3, D4    Diodos                          1N4007
7. D1                Diodo LED                    5mm
8. RV1              Potenciómetro                100kΩ
9. U1                Circuito integrado           NE555
10. Q1                Transistor MOSFET        IRF840
11. P1,P2             Borneras azules              2 pines

El circuito que nos permite controlar la velocidad de nuestro motor

Control de velocidad de motor DC con PWM.

El capacitor C1 estabiliza el voltaje de entrada. La resistencia R1, los diodos D2 y D3, el potenciómetro RV1 y el capacitor C2 definen la frecuencia de oscilación del NE555 y se controla su Duty Cycle con el potenciómetro. El PWM se puede ver reflejado en la velocidad del motor o en el brillo de una luz, es por esto que, a modo de prueba, el Diodo LED D1 sirve como indicador de velocidad. El transistor MOSFET Q1 realiza la transición control-potencia para alimentar el motor con el voltaje promedio del PWM. NOTA: Ten en cuenta la etiqueta de nombre 'A' ya que esta conecta la resistencia R1 y los diodos D2 y D3 al pin 7 del NE555.

Simulación

El anterior circuito es simulado en el software PROTEUS y aquí te muestro un pedazo de la simulación

Se puede observar como al variar la posición del potenciómetro, cambia el brillo del LED y la velocidad del motor. Ahora, con cierta seguridad de que funciona según el simulador, procedemos a hacer una fase de pruebas en protoboard.

Prototipo

Montamos los componentes del circuito en una protoboard de la siguiente manera

 

Montaje PWM en Protoboard - Fritzing.

Montaje PWM físicamente.