Reles Y Motores Paso A Paso

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TRABAJO DE INVESTIGACIÓN

RELÉS DE ESTADO SOLIDO Y MOTORES PASO A PASO 1.-

RELES DE ESTADO SOLIDO. Un relé de estado sólido (SSR en inglés) es un dispositivo interruptor electrónico que conmuta el paso de la electricidad cuando una pequeña corriente es aplicada en sus terminales de control. Los SSR consisten en un sensor que responde a una entrada apropiada (señal de control), un interruptor electrónico de estado sólido que conmuta el circuito de carga, y un mecanismo de acoplamiento a partir de la señal de control que activa este interruptor sin partes mecánicas. El relé puede estar diseñado para conmutar corriente alterna o continua. Hace la misma función que el relé electromecánico, pero sin partes móviles.

Los relés de estado sólido utilizan semiconductores de potencia como tiristores y transistores para conmutar corrientes hasta más de 100 amperios. Los relés SSR pueden conmutar a muy altas velocidades (del orden de milisegundos) en comparación a los electromecánicos, y no tienen contactos mecánicos que se desgasten. A la hora de aplicar este tipo de relés debe tenerse en cuenta su baja tolerancia para soportar sobrecargas momentáneas, comparado con los relés electromecánicos, y su mayor resistencia al paso de la corriente en su estado activo. 1.1.- Acoplamiento. La señal de control debe acoplarse al circuito de control de una forma que se produzca aislamiento galvánico entre los dos circuitos. La mayoría de los SSR utilizan acoplamiento óptico. El voltaje de control enciende un LED interno que ilumina y activa un diodo fotosensible (fotovoltaico); la corriente del diodo activa un tiristor, SCR, o MOSFET para conmutar la carga. El optoacoplamiento permite que el circuito de control esté eléctricamente aislado de la carga. 1.2.- Funcionamiento. Un SSR basado en un único MOSFET, o múltiples MOSFET en paralelo, puede trabajar bien para cargas de CC. Los MOSFET implementan un diodo que conduce la electricidad en un sólo sentido, por lo que un único MOSFET no puede bloquear la corriente en ambas direcciones. Un SSR para CC es básicamente un MOSFET pero manejando mayor corriente y

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con la peculiaridad de que la entrada está aislada de la salida, además tendrán el terminal positivo y negativo identificados, ya que se pueden dañar si las polaridades se invierten. Cuando se conmutan cargas inductivas debe colocarse un diodo de protección en la salida del SSR para evitar que las corrientes inversas de retorno lo dañen. Para CA (bi-direccional) se suele emplear un TRIAC que consta de dos SCR conectados en direcciones opuestas. Los TRIAC se utilizan porque la corriente alterna está constantemente cambiando de dirección; cuando la puerta del TRIAC deja de recibir corriente, el TRIAC cortará el paso de electricidad cuando el ciclo de la alterna pase por 0 (que sucede cada 20 ms si es de 50 Hz), por lo que nunca se se interrumpe el paso en un pico de la alterna, evitando los altos voltajes transitorios que de otra forma se producirían si se interrumpiera el paso bruscamente debido al colapso repentino del campo magnético sobre el inducido. Esta propiedad se denomina conmutación en "paso por cero". 1.3.- Parámetros. Los SSR se diferencian por una serie de parámetros incluyendo voltaje de activación y corriente, voltaje de salida y límite de corriente momentánea admitida, si es de CC o CA, la caída de voltaje o la resistencia interna que afecta a la corriente de salida, la resistencia térmica, y los parámetros eléctricos y térmicos para un área de operación segura (p.e., no superando nunca el 70% del amperaje y temperatura tope indicado por el fabricante para alargar su vida útil). 1.4.- Ventajas sobre relés electromecánicos. La mayoría de las ventajas son comunes en los equipos de estado sólido sobre los equipos electromecánicos:    

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Menor tamaño, permitiendo elementos más compactos y automatizables. Menor tensión de trabajo, se activan desde 1,5V o menos. Funcionamiento totalmente silencioso. Los SSR son más rápidos que los relés electromecánicos; su tiempo de conmutación depende del tiempo requerido para encender el LED de control, del orden de microsegundos a milisegundos. Vida útil más larga, incluso si se activa muchas veces, ya que no hay partes mecánicas que se desgasten o contactos que se deterioren a altos amperajes. La resistencia de salida se mantiene constante independientemente del uso. Limpieza de conexión, no hay rebote en la conmutación de los contactos. Sin chispas, no se producen arcos eléctricos, lo que permite ser usados en ambientes explosivos donde es crítico que no se produzcan chispas en la conexión.

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Mucho menos sensible al almacenaje y ambiente operativo, como los golpes, vibraciones, humedad, y campos magnéticos externos. No produce ondas electromagnéticas que puedan producir interferencias en otros equipos.

Desventajas. Características de voltaje/corriente del semiconductor más que de los contactos mecánicos:   

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2.-

Con circuito cerrado, mayor resistencia (pérdidas en forma de calor). En abierto, menor resistencia, con una pequeña corriente inversa de pérdida (del orden de µA). Las propiedades Voltaje/corriente no son lineales (no puramente resistivas), distorsionando las alternas conmutadas hasta cierto punto. Un relé electromecánico tiene baja resistencia óhmica (lineal) del interruptor mecánico asociado cuando se activa, y una enorme resistencia de la separación de aire y las partes aislantes cuando está en abierto. La polaridad de la salida afecta a algunos tipos de SSR; a los mecánicos no les afecta. Posibilidad de falsas conmutaciones debido a cargas transitorias, debido a la capacidad de conmutación mucho más rápida. Se requiere una alimentación aislada para el circuito de la puerta de activación. Mayor tiempo de recuperación de la corriente inversa transitoria debido a la presencia del cuerpo del diodo. Tienen tendencia a quedar en circuito cerrado cuando fallan, mientras que los mecánicos tienden a quedar en abierto, que suele ser preferible.

MOTORES PASO A PASO. El motor paso a paso conocido también como motor de pasos es un dispositivo electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos, lo que significa que es capaz de girar una cantidad de grados (paso o medio paso) dependiendo de sus entradas de control. El motor paso a paso se comporta de la misma manera que un conversor digital-analógico (D/A) y puede ser gobernado por impulsos procedentes de sistemas digitales. Este motor presenta las ventajas de tener precisión y repetitividad en cuanto al posicionamiento. Entre sus principales aplicaciones destacan los robots, drones,

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radiocontrol, impresoras digitales, automatización, fotocomponedoras, preprensa, etc. 2.1.- Tipos de motores paso a paso.

Existen 3 tipos fundamentales de motores paso a paso: el motor de reluctancia variable, el motor de magnetización permanente, y el motor híbrido.

El motor de pasos de reluctancia variable (VR):

Tiene un rotor multipolar de hierro y un estator devanado, opcionalmente laminado. Rota cuando el (o los) diente(s) más cercano(s) del rotor es (o son) atraído(s) a la(s) bobina(s) del estator energizada(s) (obteniéndose, por lo tanto, la ruta de menor reluctancia). La respuesta de este motor es muy rápida, pero la inercia permitida en la carga es pequeña. Cuando los devanados no están energizados, el par estático de este tipo de motor es cero.

El motor de pasos de rotor de imán permanente:

Permite mantener un par diferente de cero cuando el motor no está energizado. Dependiendo de la construcción del motor, es típicamente posible obtener pasos angulares de 7.5, 11.25, 15, 18, 45 o 90°. El ángulo de rotación se determina por el número de polos en el estator.

El motor de pasos híbrido:

Se caracteriza por tener varios dientes en el estator y en el rotor, el rotor con un imán concéntrico magnetizado axialmente alrededor de su eje. Se

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puede ver que esta configuración es una mezcla de los tipos de reluctancia variable e imán permanente. Este tipo de motor tiene una alta precisión y alto par, se puede configurar para suministrar un paso angular tan pequeño como 1.8°. Motores paso a paso unipolares:

Estos motores suelen tener 5 o 6 cables de salida dependiendo de su conexión interna. Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar, estos utilizan un cable común a la fuente de alimentación y posteriormente se van colocando las otras líneas a tierra en un orden específico para generar cada paso, si tienen 6 cables es porque cada par de bobinas tienen un común separado, si tiene 5 cables es porque las cuatro bobinas tienen un polo común; un motor unipolar de 6 cables puede ser usado como un motor bipolar si se deja las líneas del común al aire. Motores paso a paso Bipolares:

Estos tienen generalmente 4 cables de salida. Necesitan ciertos trucos para ser controlados debido a que requieren del cambio de dirección de flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento.

Secuencia de rotación en un motor Bipolar:

Obsérvese cómo la variación de la dirección del campo magnético creado en el estator producirá movimiento de seguimiento de parte del rotor del imán permanente, el cual intentará alinearse con el campo magnético inducido por las bobinas que excitan los electroimanes (en este caso A y B). Vcc es la alimentación de corriente continua (por ejemplo: 5V, 12V, 24V...)

Tabla de orden de fases. En este caso concreto el motor tendrá un paso angular de 90º y un semipaso de 45º (al excitarse más de una bobina) Terminal 1 Terminal 2 Terminal 1 Terminal 2 Paso Imagen Bobina A Bobina A Bobina B Bobina B

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Paso 1

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(Semi-)Paso 2

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Paso 3

(Semi-)Paso 4

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Paso 5

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(Semi-)Paso 6

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Paso 7

(Semi-)Paso 8

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