Descripción del amplificador de potencia de motores paso a paso para el software de Mel Bartels

 Indice

Introducción

Alimentación

El circuito

Poniendo el circuito en una caja

Pruebas

He diseñado la tarjeta mencionada basado en el trabajo de Mel Bartels (http://zebu.uoregon.edu/~mbartels/altaz/altaz.html) y Jean-Charles Vachon, entre otros. Ver la lista de contribuidores en http://zebu.uoregon.edu/~mbartels/altaz/contrib.html.

Si no disponéis de los esquemas eléctricos de este amplificador de potencia, picad en los siguientes enlaces. Obtendréis unas imagenes listas para ser impresas: Esquema General , Bloque de Potencia.

 

Los objetivos de este diseño son

Se incluye el esquema eléctrico de la placa (ver enlaces arriba), que se supone disponible mientras se lee el resto de este documento.

 

Se necesitará una batería de 12V para la alimentación de los motores.

Si no se puede obtener 5V del PC (normalmente se puede obtener del puerto PS2 del portátil) hará falta un pequeño conversor DC/DC de 12V a 5V aislado, con una capacidad de 100 mA en la salida de 5V. Estos 5V aislados son precisos para alimentar los fotoacopladores y el mando a distancia. Esta alimentación se etiqueta "+5V_PC" y "PC_GND" en los esquemas. Debe estar aislada del resto de la circuitería de potencia. Se recomienda protegerla con un fusible lento de 200 mA.

La alimentación desde la batería debe estar protegida por un fusible lento de 2 ó 3 A.

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Entrada

He utilizado 4 fotoacopladores HCPL 2300 de HP (ahora es una división llamada Agilent, ver http://www.semiconductor.agilent.com.) para transferir la información del puerto paralelo del PC a los transistores de potencia.

Proporcionan un ancho de banda de 5 megabits por segundo y requieren una corriente de sólo 0,5 mA en los LED. Aíslan las señales del puerto paralelo del resto de la circuitería: motores paso a paso, transistores de potencia y alimentación de 12V.

Se ha diseñado la polarización para minimizar la asimetría entre los períodos de corte y conducción de la señal. De esta forma se minimiza la distorsión de la señal que llega a los transistores de potencia.

Debido a su bajo consumo no se precisan las puertas 74LS08 del circuito de Mel. El coste es mayor que el de los fotoacopladores 4N26 originales. Incluyen una resistencia de "pull-up" interna de 1K en la patilla 7.

Existe un quinto fotoacoplador, el 6N139. Es un fotodarlington y requiere la misma baja corriente. Es más barato y más lento que el HCPL 2300, pero más caro que el 4N26. Se utiliza para detectar la alimentación "+5V_PC". Cuando ésta desaparece, desconecta los transistores de potencia a través de las puertas 74LS08 (o 74AC08). El bloqueo se realiza a través de un transistor en colector abierto que no interfiere con los comnutadores de limitación que se puedan conectar en paralelo, es decir, pueden operar simultáneamente.

El consumo total de la parte +5V_PC es de 10 mA. Con dos circuitos iguales tendremos 20 mA. El consumo del mando a distancia es de 40 mA por cada botón pulsado. Como no se debe pulsar de forma simultánea más de uno, el consumo total en esta parte es de 60 mA. Por eso se definió en el punto anterior un consumo máximo de 100 mA.

 

Etapa de potencia

Existen dos circuitos que protegen los arrollamientos de los motores paso a paso:

La resistencia de 0,15 ohm controla la última. La fórmula de esta limitación es I= 0,7/R, donde I es la corriente que se limita, 0,7V esla tensión típica base-emisor de un transistor y R es la resistencia de limitación.

Yo recomendaría subir esta resistencia a 0,35 ohm para obtener una limitación de 2 A.

Esta limitación fue diseñada por Jean-Charles Vachon. En el esquema se encuentra una versión para el caso de no disponer de la masa del circuito (rotulada GND). En el caso de un diseño nuevo es preferible una versión con acceso directo a la masa. Para ello la resistencia R7, de 240 ohmios debe ir desde la base del TIP127 (como en el esquema) hasta la masa GND y no hasta el colector del TIP127. Su valor debe ser de 1K2 (1200 ohmios). El circuito es, con este cambio, la versión preferida de Jean-Charles.

Obsérvese que si este circuito actúa, toda la energía sobrante se disipa en el TIP 127. Por tanto, debe tener un radiador adecuado.

Si no se desea utilizar esta limitación (en cuyo caso es esencial un fusible de 2A en los 12 V) se eliminan R6, R7, R8, Q7, Q8 y se cambia D8 por un puente.

Todas las alimentaciones (5V, 12V) disponen de LEDs para monitorizar su funcionamiento. También disponen de ellos todos los transistores de potencia. Requieren, éstos últimos, la utilización de diodos en inversa para protegerlos.

Todos estos LED son HLMP 1700 de HP (ahora Agilent) con muy baja corriente de excitación (2 mA) y alta eficiencia.

La fuente interna de 5 V ha sido realizada con un 7805. No debe alimentársele con más de 12V a su entrada sin poner un radiador "grande".

El consumo de esta fuente no debería exceder 75 mA (para cada grupo de 4 transistores) con lo que la disipación, con una entrada de 12V, no debe superar 0,6 W. Si se utilizase una sola tarjeta para los 8 transistores, la disipación sería de 1,2W y habría que utilizar un disipador.

Cuando se monte el circuito, poned zócalos en todos los circuitos integrados. Son más cómodos para las pruebas y permiten un cambio fácil si alguno se estropea.

 

Nota. Este diseño no incluye el circuito del SAA1042 para la rotación de campo.

 

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La mejor solución para refrigerar los transistores de potencia TIP 120 consiste en colocarlos en el borde del circuito impreso y unirlos mediante tornillos aislados al chasis de la caja, que debe ser metálica y preferiblemente de aluminio. Todos los transistores deben estar aislados eléctricamente entre sí y con respecto a la caja. Existen piezas rectangulares de un plástico especial, que es a la vez aislante eléctrico y buen conductor térmico, disponibles en las tiendas de electrónica.

Una vez ensamblado el conjunto, se debe verificar con un polímetro el aislamiento efectivo entre transistores y con la caja. Si ésto falla, se destruirán inmediatamente los transistores. Se notará por el humo.

La aplicación normal requiere dos tarjetas, salvo que hayáis decidido integrarlo todo en una. En el primer caso, una de las tarjetas va en el fondo de la caja y la otra en el techo, poniendo especial cuidado con que no se toquen.

Esta forma de ensamblaje genera un diseño muy compacto, sin partes móviles (no se necesita ventilador).

Todavía puede mejorarse el diseño cambiando los transistores TIP 120 por MOSFET IRL530N, conectando los terminales G, D, S en vez de B, C, E respectivamente del TIP 120 y cambiando las resistencias de 470 ohmios que van a la base por 10K al terminal G. Esta opción no requiere poner radiadores en los MOSFET. Es decir, no los conectaremos a la caja, con lo que se simplifica el diseño y es mucho más fiable. El encapsulado debe ser TO-220AB. Lo único malo es que son más caros.

Pueden verse las características técnicas de estos MOSFET en http://www.irf.com , seleccionando en "Parts search" IRL530N. Una vez encontrados, seleccionar el encapsulado TO220AB y obtendréis las hojas de características.

Debéis conectar el conversor DC/DC de 12V a 5V si no podéis obtener los 5V desde el puerto PS2 del PC.

Si podéis obtener los 5V desde el PC, colocad a la salida del puerto PS2 (de donde se obtienen) un fusible de 200 mA, para evitar desastres al portátil.

Ahora debéis conectar un cable paralelo desde la caja hasta el PC. Este cable debe tener los 25 hilos. Se venden en las tiendas de informática, pero cuidado, que los hay de menos hilos. Debéis pedir un "cable de 25 hilos para puerto paralelo ECP".

Finalmente debe conectarse el mando a distancia mediante un cable telefónico de 6 hilos. Se recomienda que sea de los arrollados en hélice. La conexión es ligeramente distinta del diseño de Mel. Es necesaria para alimentar un LED rojo que se sitúa en el mando. Es cómodo para localizarlo en la oscuridad.

Necesitaréis un conmutador para conectar los 12V de alimentación general y, si habéis escogido obtener los 5V del portátil a través del puerto PS2, el conmutador debe tener dos circuitos independientes para poder conmutar simultáneamente los 12V y los 5V del PC. Recordad que estas dos fuentes deben estar aisladas entre sí.

 

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  1. Comprobad primero el aislamiento entre la masa del PC y la masa de los 12V. Debe ser superior a 1 megaohmio. Haced lo mismo con los 12V y los +5V_PC.

  2. Segundo, encender el sistema con una batería de 12VDC o una fuente de alimentación que dé 12VDC. Es conveniente que tenga un fusible de 2 A. No debe estar ningún circuito integrado, extraedlos de sus zócalos antes de encender. Deberían encenderse los LED de 12V y de 5V. Verificar con un polímetro las alimentaciones generales. Verificar después la alimentación en cada uno de los zócalos de los circuitos integrados.

  3. Tocad cada transistor (TIP 120 o IRL530N). Deben estar fríos. Si no es así, apagad inmediatamente y verificar si existen cortocircuitos.

  4. Apagad todo y colocar los circuitos en sus zócalos.

  5. Conectar el puerto paralelo del PC a la placa. No conectéis por el momento los 5V del puerto PS2, si tenéis acceso a él.

  6. Tocad los 5 fotoacopladores. Deben estar fríos. Si no, apagad apagad inmediatamente y verificar si existen cortocircuitos.

  7. Conectad ahora los 12V de la batería y los 5V del puerto PS2, si ha lugar. Activar el programa scope.exe y utilizadlo en micropasos y medios pasos. Deberían parpadear los 8 LEDs de los transistores. La frecuencia del parpadeo da una indicación de la velocidad del tren de pulsos.

  8. Desconectad el puerto paralelo. Deberían quedar permanentemente encendidos los 8 LEDs. Eso indica que toda la tensión se aplica sobre los bobinados de los motores, si estuviesen conectados. Lo cual es grave. Lección: antes de apagar el PC o salir del programa de Mel, debe apagarse el amplificador, para que ésto no suceda.

  9. Quitad, con el amplificador encendido ( el puerto paralelo sigue desconectado), el fotoacoplador 6N139 con los dedos. Los 4 LEDs de su grupo deben apagarse inmediatamente. Acabamos de simular el fallo de la alimentación +5V_PC. El circuito de protección funciona.

  10. Apagad el amplificador y colocar los 6N139 que hubiéseis quitado. Colocad el cable del puerto paralelo y los motores paso a paso. Encended el amplificador. Utilizad el software de Mel. Deberían funcionar los motores. Si se han utilizado los transistores TIP120 deberían estar templados. Si se han utilizado los IRL530N deberían estar fríos. El radiador del 7805 debería estar templado. En condiciones normales también debe estar frío el radiador del TIP127 (consumo de motores inferior a la limitación impuesta).

Bueno, eso es todo.

Si tenéis alguna duda sobre lo explicado, mandadme un correo al enlace existente en la columna de la izquierda.

Si tenéis algún problema a partir de aquí, miráos las páginas de Mel. No existen más diferencias con su diseño.

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