4.3. Etapas de potencia (Drivers)

Representan el enlace entre las señales lógicas de control y las señales de potencia, corriente que circula por los bobinados. Éstas tienen que responder con rapidez a las excitaciones, así como proporcionar la corriente necesaria a la tensión de trabajo requerida para la alimentación. Representan los interruptores de potencia que conmutan según el control, formados por transistores bipolares, MOSFETS ...

4.3.1. Problemas con los Drivers

El bobinado de los motores paso a paso es inductivo y aparece en combinación de una inductancia y una resistencia en serie. Cuando el motor gira nos encontramos con una fuerza electro motriz producida en el bobinado. El circuito equivalente para un bobinado representa la combinación de los tres factores en serie, tal como muestra la figura 4.23.

Las etapas de potencia que controlan los bobinados se ven sometidas a los efectos de las pendientes en la corriente y las sobretensiones que produce la carga inductiva, por lo que se hace necesario la utilización de supresores para evitar daños en los elementos de potencia.

Figura 4.23. Circuito equivalente de un bobinado de un motor paso a paso.

Los parámetros del motor están sometidos a las variaciones propias de las tolerancias de manufactura más las que se producen por las condiciones de funcionamiento. El diseño del motor está concebido para maximizar la potencia con el mínimo tamaño. La temperatura del cuerpo del motor puede alcanzar valores alrededor de los 100º. Bajo estas condiciones la resistencia del bobinado se incrementa en un 20 o un 25 por ciento.

4.3.1.1. Circuitos supresores

Cuando el transistor de la figura 4.23. es desactivado, se induce un alto voltaje en el bobinado en función de L(di/dt). Este voltaje queda aplicado sobre el transistor, pudiendo llegar a dañarlo. Existen diversos métodos para suprimir el pico de tensión y proteger el transistor, son los siguientes:

Figura 4.24. Circuitos supresores de un motor paso a paso (a) Diodo supresor, (b) diodo-resistencia supresores, (c)

(1) Diodo supresor. Si un diodo es situado en paralelo con el bobinado, con la polaridad tal como muestra la figura 4.24. (a), la circulación de la corriente fluye por éste cuando el transistor es desactivado, y la corriente decae en este momento. En este esquema no se produce apenas ningún cambio en la corriente cunado se efectúa la desactivación, y la tensión del colector del transistor es la tensión de alimentación E, más la caída de tensión directa en el diodo. Este método es muy simple, pero, por otra parte, la circulación de la corriente muestra una considerable lentitud en el tiempo, produciendo un par de retardo.

(2) Diodo más resistencia supresora. La resistencia se conecta en serie con el diodo, tal como muestra la figura 4.24. (b), para una rápida recirculación de la corriente. La tensión VCE aplicada al colector cuando éste se desactiva es:

(4.2)

donde    

E  = Tensión de alimentación
I   = Corriente justo antes del paro
R_S = Resistencia supresora
V_D = Caída de tensión directa en el diodo

Se requiere una resistencia RS alta para producir una caída rápida de la corriente, pero esto provoca una caída de potencial elevada en el colector V_CE. En este caso el valor de la resistencia RS estará supeditado a las características de máxima tensión aplicable al colector del transistor.

Figura 4.25. Comparación de los efectos del los diferentes tipos de supresores.

(3) Supresor por diodo Zener. El diodo zener se conecta en serie con el diodo normal, según muestra la figura 4.24. (c). Comparado con los casos precedentes, en este esquema la corriente decae mas rápidamente cuando el transistor es desactivado (mirar figura 4.25.). La mejora de este método radica en que el potencial aplicado al colector del transistor es el voltaje de la alimentación más la tensión del zener, independientemente de la corriente. Este estará determinado por las características de máxima tensión aplicable al colector del transistor.

La figura 4.26. muestra un circuito de alimentación unipolar, para un motor de dos fases con bobinado doble, con supresión mediante diodo zener. Las resistencias R1 y R2 son para incrementar la pendiente de la corriente en la activación, mirar apartado 4.3.2.1. (Mejora por resistencia adicional).

Figura 4.26. Ejemplo de un control unipolar de un motor paso a paso con doble bobinado y circuito supresor por diodo Zener.