Electronica aplicada automotriz 3

CIRCUITOS
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MANUAL DE ELECTRÓNICA

CIRCUITOS OPERACIONALES

OPERACIONALES
Los operacionales son circuitos integrados, que contienen varios transistores, diodos,
resistencias y condensadores. Estos componentes están conectados de tal manera que
se obtiene en la salida del operacional, la misma señal de tensión que se aplica a la
entrada pero amplificada.

Circuito de un operacional referido a masa

Los operacionales tienen cinco terminales principales:
- Terminal inversor (-): es el terminal de entrada por la patilla negativa del operacional.
- Terminal no inversor (+): es el terminal de entrada por la patilla positiva del
operacional.
- Terminales de alimentación: son dos terminales en los que se aplica la tensión de
alimentación del operacional.
- Terminal de salida (Vs): es el terminal por el que sale la señal amplificada.

La ganancia de tensión de un amplificador operacional se representa en su símbolo
como Gv. La entrada no inversora es V1 mientras que la entrada inversora es V2. Se
denomina entrada diferencial a la caída de tensión entre los terminales positivo y negativo
del operacional:

Ven = V1 - V2

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CIRCUITOS


Las tensiones V1, V2 y Vs son tensiones de nudo, lo que significa que siempre se miden
con respecto a masa. La mayoría de las veces no se dibuja en el símbolo el terminal
de masa, como muestra el siguiente gráfico:

Símbolo electrónico de un amplificador operacional

La entrada no inversora tiene un signo positivo, mientras que la entrada inversora tiene
un signo negativo. La tensión diferencial de la entrada Ven aparece entre las entradas
no inversora e inversora. La tensión de salida está dada por:

Vs = Gv x Ven
Es decir, la tensión de salida es igual a la tensión de entrada multiplicada por el valor
de la ganancia de tensión (Gv).
Los operacionales forman dos grandes tipos dependiendo de la forma de realimentarlos.
La realimentación consiste en retornar la señal de tensión de salida a la entrada mediante
un circuito adicional denominado circuito de realimentación. Este lazo de realimentación
puede volver a la entrada inversora (terminal negativo) y se denomina realimentación
negativa, o bien volver a la entrada no inversora (terminal positivo) y se llama
realimentación positiva.

Esquema de un operacional con realimentación negativa

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CIRCUITOS


Esquema de un operacional con realimentación positiva

Dependiendo del tipo de realimentación y de su circuito adicional, los operacionales
pueden funcionar de diversas formas. La clasificación general dependiendo del tipo de
realimentación, y a su vez dependiendo de la forma del circuito de realimentación es
la siguiente:

- Realimentación negativa:
* Amplificador operacional inversor.
* Amplificador operacional no inversor.
* Sumador.
* Integrador.
* Diferenciador.
* Convertidor corriente/tensión.
* Convertidor tensión/corriente.
* Diferencial.
* Seguidor.

- Realimentación positiva:

* Comparador no inversor.
* Comparador inversor.
* Báscula inversora.
* Báscula no inversora.

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CIRCUITOS


OPERACIONALES CON REALIMENTACIÓN NEGATIVA
Dependiendo del circuito de realimentación, se consiguen circuitos operacionales que
realizan diversas funciones.
Los circuitos operacionales con realimentación negativa basan su función en la amplificación
de señal, mientras que los circuitos operacionales con realimentación positiva funcionan
como comparadores de señales.
El bloque acondicionador de la señal procedente de un sensor, normalmente va a estar
formado por la conexión de varios tipos de circuitos operacionales con diferentes tipos
de realimentación.

AMPLIFICADOR NO INVERSOR DE TENSIÓN

Circuito amplificador no inversor

Este circuito amplifica la tensión de entrada y proporciona a la salida la tensión de
entrada multiplicada por la ganancia de tensión. Esta ganancia de tensión viene
determinada por el valor de las resistencias del circuito de realimentación, de tal manera
que:

Vs = Gv x Ve
Gv = (R2 + R1) / R1
Vs = ((R2 + R1) / R1) x Ve

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CIRCUITOS


Señales de entrada y salida en un amplificador operacional no inversor

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CIRCUITOS


AMPLIFICADOR INVERSOR DE TENSIÓN

Circuito amplificador inversor

Este circuito amplifica la tensión de entrada pero la invierte, es decir, la cambia de signo.
El valor de la ganancia de tensión depende del valor de las resistencias:

Vs = Gv x Ve
Gv = - (R2 / R1)
Vs = - (R2 / R1) x Ve

Señales de entrada y salida en un amplificador operacional inversor

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CIRCUITOS


SUMADOR

Circuito sumador

Una ventaja importante de los amplificadores inversores de tensión, es su capacidad
de amplificar más de una señal de tensión a la vez. El circuito sumador aprovecha esta
característica para amplificar y a la vez sumar varias tensiones de entrada:

Para V1 => - (R / R1) x V1
Para V2 => - (R / R2) x V2
En la salida se suman todas las señales de entrada amplificadas e invertidas:

Vs = - R x (V1 / R1 + V2 / R2 + ... + Vn / Rn)

Señales de entrada al sumador

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CIRCUITOS


Señal de salida del sumador

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CIRCUITOS


INTEGRADOR

Circuito integrador

El integrador es un circuito que ejecuta una operación matemática llamada integración.
La aplicación más popular de un integrador es la destinada a producir una rampa de
tensión, la cual incrementa o decrementa la tensión linealmente. Esto hace que al
integrar una onda cuadrada se consiga una onda triangular.

Señales de entrada y salida en un integrador

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CIRCUITOS


DIFERENCIADOR

Circuito diferenciador

Un diferenciador es un circuito que ejecuta una operación llamada en matemáticas
derivada. Esta operación es la contraria a la de integración, es decir, realiza el proceso
inverso; produce una tensión de salida proporcional a la variación de la tensión de
entrada respecto al tiempo. Aplicaciones comunes de un diferenciador son producir una
salida rectangular a partir de una rampa de entrada (operación inversa a la realizada
por el integrador) o detectar los flancos de subida y bajada de un pulso rectangular.

Señales de entrada y salida en un diferenciador

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CONVERTIDOR CORRIENTE / TENSIÓN

Circuito convertidor corriente/tensión

Este circuito transforma una señal de intensidad, aplicada a la entrada, en una señal
de tensión (proporcionada a la salida). El valor de tensión a la salida depende del valor
de la resistencia y del valor de la corriente en la entrada:

Señales de entrada y salida en un convertidor corriente/tensión

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CONVERTIDOR TENSIÓN / CORRIENTE

Circuito convertidor tensión/corriente

Este circuito realiza la función contraria al convertidor corriente / tensión, es decir,
convierte una señal de tensión en una señal de intensidad. El valor de la intensidad de
la salida depende de los valores de la resistencia del circuito de realimentación y de la
tensión de entrada:

Is = E / R

Señales de entrada y salida en un convertidor tensión/corriente

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CIRCUITOS


DIFERENCIAL

Circuito diferencial

Un circuito diferencial resta dos señales de entrada y amplifica el resultado. El factor
de amplificación (ganancia de tensión) depende del valor de las resistencias.
Siempre resta la señal de tensión de entrada del terminal no inversor (positivo) menos
la tensión de entrada del terminal inversor (negativo):

Vs = R2 / R1 x (V2 - V1)

Señales de entrada al diferencial

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CIRCUITOS


Señal de salida del diferencial

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CIRCUITOS


SEGUIDOR

Circuito seguidor

Este circuito proporciona a la salida la misma señal de tensión que existe a la entrada:
Vs = Ve.
Los seguidores se utilizan como protección para aislar etapas diferentes de un circuito.
Por ejemplo, la señal de salida de una etapa ataca a la entrada de otra etapa distinta;
la forma de separar la salida de la entrada (aunque en realidad se trate de la misma
señal de tensión) es mediante un seguidor, de esta forma se consigue protección ante
posibles interferencias y las dos etapas están completamente diferenciadas.
El diagrama de bloques de un proceso de aislamiento y protección de dos etapas es el
siguiente:

Diagrama de bloques del proceso de aislamiento mediante un seguidor

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CIRCUITOS


OPERACIONALES CON REALIMENTACIÓN POSITIVA
Los operacionales realimentados positivamente realizan la comparación de dos valores
de tensión por lo que se llaman comparadores. Cuando la tensión de la entrada no
inversora es mayor que la de la entrada inversora, el comparador produce una tensión
de salida de nivel alto. Cuando la tensión de la entrada no inversora es menor que la
de la entrada inversora, el comparador produce una tensión de salida de nivel bajo.
Los valores de tensión alto y bajo proporcionados a la salida dependen del valor de la
alimentación del operacional; por ejemplo, si el operacional se alimenta por sus dos
terminales de alimentación con +Vcc uno y con -Vcc el otro (alimentación simétrica),
el nivel alto de tensión a la salida es de valor +Vcc, y el nivel bajo es -Vcc. Otra forma
de alimentar el operacional, denominada asimétrica, es alimentarlo con +Vcc y masa
(cero voltios), con lo que el nivel alto de tensión a la salida es +Vcc, pero el nivel bajo
de tensión a la salida es 0 voltios.
Por lo tanto, la tensión de la entrada no inversora es mayor que la tensión de la entrada
inversora cuando la tensión de salida del comparador está a nivel alto y no lo es cuando
la tensión de salida está a nivel bajo.

Esquema de un operacional con realimentación positiva

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CIRCUITOS


COMPARADOR NO INVERSOR

Circuito comparador no inversor

Este circuito compara un valor de tensión de entrada con el valor cero voltios (terminal
inversor conectado a masa). El valor de la tensión de salida vale +Vcc si la tensión de
entrada (Ve) es mayor que cero, y vale -Vcc si el valor de Ve es menor que cero voltios.
Este comportamiento se referencia en una curva que se llama función de transferencia
del comparador y que relaciona la tensión de entrada con la tensión de salida:

Función de transferencia de un comparador no inversor

Para poder comparar una tensión con un valor de tensión (Vref) distinto de cero, se coloca
una pila del valor a comparar en el terminal inversor, en vez de conectarlo a masa.

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CIRCUITOS


Circuito comparador no inversor con tensión de referencia

La función de transferencia varía el valor de comparación, por lo que desplaza el eje
vertical de la curva. Al valor de tensión sobre el que se compara se le denomina punto
de conmutación, ya que es el punto en el que conmuta el valor de la tensión de salida
del comparador.

Función de transferencia de un comparador no inversor con tensión de referencia

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CIRCUITOS


COMPARADOR INVERSOR

Circuito comparador inversor

Este circuito compara el valor cero voltios con un valor de tensión de entrada (terminal
no inversor conectado a masa). El valor de la tensión de salida vale +Vcc si la tensión
de entrada (Ve) es menor que cero, y vale -Vcc si el valor de Ve es mayor que cero
voltios. Este comportamiento es el inverso al del comparador no inversor, y también
se referencia mediante su función de transferencia:

Función de transferencia de un comparador inversor

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CIRCUITOS


Para poder comparar una tensión (Vref) distinta de cero con la tensión de entrada
(conectada al terminal inversor), se coloca una pila del valor a comparar en el terminal
no inversor, en vez de conectarlo a masa.

Circuito comparador inversor con tensión de referencia

La función de transferencia varía el punto de conmutación (desplaza su tramo vertical)
hacia la izquierda o hacia la derecha, dependiendo de si el valor de Vref es negativo o
positivo, respectivamente.

Función de transferencia de un comparador inversor con tensión de referencia

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CIRCUITOS


BASCULA NO INVERSORA

Circuito de báscula de Schmitt no inversora

Este circuito comparador se llama báscula Schmitt no inversora. Las básculas Schmitt
son comparadores normales pero que al estar realimentados positivamente consiguen
tener dos puntos de conmutación, uno superior y otro inferior. Su función de transferencia
es la siguiente:

Función de transferencia de una báscula Schmitt no inversora

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CIRCUITOS


Este circuito conmuta (cambia el valor de la tensión de salida) en dos puntos: V1 y V2.
Estos valores de tensión dependen del valor de las resistencias del lazo de realimentación
positiva, y del valor de la tensión de salida; si la báscula está alimentada entre +Vcc
y -Vcc, los valores de la tensión de salida son +Vcc (nivel alto) y -Vcc (nivel bajo):

V1 = - (R1 / R2) x Vcc
V2 = (R1 / R2) x Vcc

Las básculas Schmitt son llamadas también comparadores con histéresis. La histéresis,
o tensión de histéresis, es el valor de tensión que existe entre los dos puntos de
conmutación (V1, V2); es decir, es la diferencia entre los dos valores de tensión que
marca la anchura de la función de transferencia de la báscula:
H = V2 - V1
Pero como los dos valores son iguales aunque de signo contrario, el valor de la histéresis
será siempre el doble de uno de los dos valores de los puntos de conmutación:

H = 2 x V2

Histéresis de una báscula Schmitt no inversora

El funcionamiento de este circuito es similar al de un comparador normal, pero con dos
puntos de conmutación que influyen dependiendo del valor de tensión de entrada del
que se proceda. La conmutación en la tensión de salida viene marcada por los sentidos
de las flechas dibujadas sobre la función de transferencia de la báscula Schmitt. Si la
tensión de entrada (Ve) es mayor que V2 y se empieza a decrecer, no conmuta hasta
que llega a ser igual que V1, momento en el que la salida pasa de valer +Vcc a valer
- Vcc.

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CIRCUITOS


Conmutación de +Vcc a -Vcc en una báscula no inversora

Por el contrario, cuando la tensión de entrada es menor que V1, al aumentar su valor
no conmuta la salida hasta que esta tensión de entrada no llega al valor del punto de
conmutación V2, momento en el que la tensión de salida pasa de valer -Vcc a valer
+Vcc.

Conmutación de -Vcc a +Vcc en una báscula no inversora

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CIRCUITOS


BASCULA INVERSORA

Circuito de báscula de Schmitt inversora

Este circuito comparador se llama báscula Schmitt inversora. Su función de transferencia
es la siguiente:

Función de transferencia de una báscula Schmitt inversora

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CIRCUITOS


Este circuito también conmuta el valor de la tensión de salida en dos puntos: V1 y V2,
pero de forma inversa a como lo hace la báscula no inversora. Estos valores de tensión
dependen del valor de las resistencias del lazo de realimentación positiva, y del valor
de la tensión de salida; si la báscula está alimentada entre +Vcc y -Vcc, los valores de
la tensión de salida son +Vcc (nivel alto) y -Vcc (nivel bajo):

V1 = - (R1 / R1 + R2) x Vcc
V2 = (R1 / R1 + R2) x Vcc

La tensión de histéresis de esta báscula vale también:

H = V2 - V1
H = 2 x V2

Histéresis de una báscula Schmitt inversora

El funcionamiento de este circuito es similar al de la báscula no inversora, pero cambiando
el sentido de conmutación en la función de transferencia. La conmutación en la tensión
de salida viene marcada por los sentidos de las flechas dibujadas sobre la función de
transferencia de la báscula Schmitt inversora. Si la tensión de entrada (Ve) es mayor
que V2 y se empieza a decrecer, no conmuta hasta que llega a ser igual que V1, momento
en el que la salida pasa de valer -Vcc a valer +Vcc (al contrario que en la báscula no
inversora).

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CIRCUITOS


Conmutación de -Vcc a +Vcc en una báscula inversora

Por el contrario, cuando la tensión de entrada es menor que V1, al aumentar su valor
no conmuta la salida hasta que esta tensión de entrada no llega al valor del punto de
conmutación V2, momento en el que la tensión de salida pasa de valer +Vcc a valer
-Vcc.

Conmutación de +Vcc a -Vcc en una báscula inversora

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CIRCUITOS


Tanto en la báscula inversora como en la no inversora, para cambiar los puntos de
conmutación y por lo tanto cambiar la histéresis de la báscula, hay que modificar los
valores de las resistencias del lazo de realimentación positiva.
Para modificar el eje central del rectángulo que representa la función de transferencia
de las básculas, es decir, el punto medio del segmento formado por la histéresis (punto
medio entre V1 y V2), simplemente hay que conectar una pila de tensión de valor Vref
en el terminal que está conectado a masa.
Por ejemplo, en una báscula no inversora se modifica el punto central de la histéresis
a un valor Vref con el circuito siguiente:

Circuito de báscula no inversora con tensión de referencia

Con lo que su función de transferencia es ahora:

Función de transferencia de una báscula no inversora con tensión de referencia.

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CIRCUITOS


MÓDULOS COMERCIALES
Los códigos de numeración de los operacionales más utilizados son:

LF351 LM10C LM318 LM741C TL071
LF353 LM11C LM324 LM747C TL072
LF355 LM301C LM348 LM748 NE531 TL074
LF356 LM307 LM358 LM1458 TL082
LF13741 LM308 LM709 LM4250 TL084

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CIRCUITOS


TEMPORIZADOR ANALÓGICO-DIGITAL (LM555)
El generador de base de tiempo o temporizador 555 es un integrado que combina en
su interior un oscilador, dos comparadores, un biestable RS y un transistor bipolar. Este
circuito interno permite diversas aplicaciones, pero fundamentalmente se utiliza para
generar señales de tensión cuadradas.

TERMINALES DEL TEMPORIZADOR 555
El esquema del circuito integrado de este temporizador es el siguiente:

Terminales del temporizador 555

Sus ocho terminales son los siguientes:

- GND (1): este terminal es la conexión a masa del integrado.
- Disparo (2): es el terminal por el que se excita al temporizador, cuando necesita
una tensión de disparo. Este terminal funciona con lógica negativa de entrada, es
decir, es activo a nivel bajo.
- Salida (3): por este terminal se proporciona la tensión de salida (también se llama
Q).
- Reset (4): al activar este terminal se resetea el temporizador con lo que se inicia
de nuevo desde el principio el proceso que se esté realizando. Se activa a nivel bajo
de tensión porque funciona con lógica negativa de entrada.
- Control (5): es un terminal de control. A este terminal, normalmente, se conecta
un condensador de valor 0,01 mF (microfaradios).
- Umbral (6): este terminal determina la tensión de referencia a comparar de uno de
los comparadores internos del temporizador.
- Descarga (7): este terminal es el colector del transistor bipolar interno del temporizador,
se le denomina así porque permite la descarga de un condensador que se conecta
a él.
- Alimentación (8): es el terminal por el que se alimenta con tensión (+Vcc) al
temporizador 555.

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CIRCUITOS


FUNCIONAMIENTO COMO MONOESTABLE

El término monoestable significa que es un proceso en el que se dan dos estados (de
tensión): uno estable y otro inestable (también llamado metaestable). Un estado estable
es aquel en el que la señal permanece inalterable indefinidamente; mientras que un
estado inestable o metaestable es aquel en el que, por ser inestable, la tensión tiende
a cambiar pasado un cierto tiempo.

Gráfico del primer estado estable

Por ejemplo, la bola de color azul se encuentra en un estado estable, porque si no se
modifica su situación desde el exterior (empujándola), por sí misma no se mueve de
la posición en la que está (posición estable).

Gráfico del estado inestable

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CIRCUITOS


Pero si se empuja la bola hacia el interior del hoyo, se le fuerza a pasar a un estado
inestable (bola en color rojo) porque se encuentra en una pendiente (zona inestable)
y no puede permanecer quieta. La bola no permanece indefinidamente en el estado
inestable, sino que busca el estado estable; por eso está un tiempo oscilando entre las
dos pendientes, hasta que se para justo en la base del hoyo.

Gráfico del segundo estado estable

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CIRCUITOS


Una vez que se ha parado en el fondo del hoyo, permanece quieta indefinidamente (bola
de color verde) hasta que una fuerza exterior modifique su estado, por eso esta situación
es también un estado estable.
En electrónica sucede lo mismo con las tensiones de los circuitos multivibradores
monoestables conocidos coloquialmente como monoestables. En el estado estable, la
tensión de salida permanece constante durante un tiempo indefinido, hasta que desde
el exterior se obliga a cambiar al circuito a un estado inestable (mediante un pico de
tensión en la patilla de disparo); al cambiar al estado inestable, la tensión de salida
cambia a otro valor y permanece en él durante un tiempo fijo (tiempo metaestable) y
pasado este tiempo, la señal de salida vuelve a su valor estable por sí sola, hasta que
se vuelva a efectuar un nuevo disparo de tensión.

Conexión de un temporizador 555 como monoestable

En este circuito el temporizador 555 funciona como un monoestable. La salida permanece
con un valor de tensión constante de cero voltios (estado estable) hasta que se excita
al temporizador por el terminal de disparo (2); en ese momento la tensión de salida
pasa a valer +Vcc durante un periodo de tiempo determinado por el valor de la resistencia
y del condensador conectado al terminal de umbral (6), y pasado ese tiempo, la tensión
de salida vuelve a su estado estable, es decir, a valer cero voltios.

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CIRCUITOS


La salida permanece en este estado hasta que se vuelva a realizar un disparo de tensión
s o b r e e l t e r m i n a l 2 , t a l y c o m o m u e s t ra e l c r o n o g ra m a s i g u i e n t e :

Cronograma de funcionamiento del circuito monoestable

La tensión de disparo tiene que ser menor que 1/3 de Vcc para que el temporizador 555
conmute de estado.
Los cambios de estado se consiguen mediante la carga y descarga del condensador
conectado al terminal de umbral.

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CIRCUITOS


FUNCIONAMIENTO COMO AESTABLE
El término aestable significa que es un proceso en el que se dan dos estados inestables
(metaestables). En este proceso el valor de tensión varía por sí solo entre dos valores
(dos estados) intermitentemente, ya que los dos valores son estados inestables.

Conexión de un temporizador 555 como aestable

En este circuito, la tensión de salida conmuta indefinidamente entre los valores de +Vcc
y masa. Cuando la salida vale +Vcc, se mantiene en este valor un tiempo determinado
definido por los valores del condensador (C) y las dos resistencias (Ra, Rb); pero al
tratarse de un estado metaestable, el circuito conmuta automáticamente buscando un
estado estable. Al conmutar, la salida pasa a valer cero, y se mantiene en este valor
un tiempo determinado e igual al tiempo en que se mantiene a valor +Vcc (porque los
valores del condensador y las resistencias no varían); pero terminado este tiempo, como
se trata de un estado inestable, el circuito conmuta buscando otro estado, y la salida
pasa a valer +Vcc, repitiéndose indefinidamente el proceso.

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CIRCUITOS


Cronograma de funcionamiento del circuito aestable.

En este circuito la salida conmuta indefinidamente sin necesidad de un disparo de tensión
exterior, ya que los dos estados posibles son inestables y conmutan entre ellos
automáticamente, buscando un posible estado estable que no existe.

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CIRCUITOS


PUENTE DE WHEATSTONE
La función básica de un puente es la de acondicionar la señal procedente de sensores
que varían su resistencia respecto de una magnitud a medir. Transforma la variación
de resistencia del sensor en valores de tensión o de corriente. Por ejemplo, una galga
extensiométrica, utilizada para medir la presión ejercida sobre una determinada superficie,
varía su resistencia eléctrica dependiendo del grado de presión a la que se vea sometida.

Diagrama de bloques de un sistema de tratamiento de señales analógicas

Todo sistema de instrumentación, orientado a la obtención de medidas referentes a
sensores, tiene varios bloques de tratamiento de la información analógica proporcionada
por el sensor. Estos bloques normalmente son: bloque sensor, bloque acondicionador
y bloque amplificador. A la salida del bloque amplificador la señal de salida está preparada
para ser convertida a información digital.
La mayoría de los sensores más utilizados se basan en la variación de resistencia con
la magnitud a medir.

224

CIRCUITOS


TERMINALES Y CONEXIÓN DEL PUENTE DE WHEATSTONE
Un puente de Wheatstone está constituido por cuatro terminales: dos de alimentación
del puente y otros dos desde los que se toma la señal de salida que ataca al circuito
acondicionador.

Terminales de un Puente de Wheatstone

Las resistencias realmente no tienen un valor constante de x Ohmios, tienen un valor
inicial denominado R0 y un valor añadido que depende de la magnitud. Para evitar
errores en la medida, se crea un circuito específico denominado Puente de Wheatstone
que consigue que el error en la medida sea lo menor posible.
RX = R0 (1 + X)
Rx = valor resistivo total
R0 = resistencia inicial del sensor
X = factor corrector de resistencia

225

CIRCUITOS


Puente de Wheatstone con sensor resistivo real (Rx)

El puente está diseñado para colocar tres resistencias y el sensor en una posición
específica. Tiene dos terminales de alimentación (Vcc y masa) que generan una circulación
de corriente por el puente; y otros dos terminales de salida denominados A y B, por
donde se toma la medida de la variación de tensión.

Operando matemáticamente se llega a la siguiente ecuación:

Vs = ((Vcc x K) / (K + 1)2 ) · X
Vs = tensión de salida
K = R2 / R0 = R1 / R4
X= valor de variación de la resistencia inicial R0 respecto de la magnitud a medir

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CIRCUITOS


Tomando como elemento sensor una galga extensiométrica, su ecuación de comportamiento
relaciona la magnitud resistiva con la magnitud de presión.

Gráfico de una galga extensiométrica (sensor de presión)

Al aplicar una fuerza en sentido longitudinal al material soporte de la galga, éste se
encoge longitudinalmente y se estira transversalmente, deformándose la galga y
provocando una variación de resistencia.
La ecuación de comportamiento de cada galga es una ecuación física de la forma:
Rg = R0 x ( 1 + (K1x E)

Rg = resistencia de la galga
R0 = resistencia inicial de la galga sin deformaciones
K1 = constante que depende del material soporte
E = deformación lineal de la galga

El valor de variación de resistencia es el producto de una constante K1 por un factor
El que depende del grado de deformación del material soporte. Acondicionar la señal
de una galga extensiométrica, implica colocar la galga dentro de un Puente de Wheatstone
para obtener a la salida la deformación del material soporte, expresada en voltios, entre
los terminales A y B.

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CIRCUITOS


AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACIÓN
Los amplificadores de instrumentación son amplificadores construidos a base de
amplificadores operacionales que suelen colocarse en la salida de un Puente de Wheatstone
para amplificar la tensión entre los terminales A y B del puente, y referir el valor de
tensión a masa (cero voltios). Tienen la ventaja de regular la ganancia de tensión por
medio de una resistencia variable de ajuste.

TERMINALES Y CONEXIÓN DE UN AMP. DE INSTRUMENTACIÓN

Este tipo de amplificador tiene ocho terminales: tres de alimentación, dos para la entrada
de tensión diferencial, dos para regular la ganancia y uno de salida.

Símbolo electrónico y terminales de un amplificador de instrumentación

Va, Vb: terminales de entrada de la tensión diferencial del puente.
RG1, RG2: terminales de conexión de la resistencia de ganancia.
Vo: tensión de salida referida a masa.

La ganancia en tensión, es decir, el factor Gv que amplifica la señal de entrada diferencial
tomada entre los terminales Va y Vb del amplificador de instrumentación, viene fijada
por una resistencia variable, externa al amplificador, conectada entre los terminales
RG1 y RG2.
El amplificador de instrumentación tiene tres terminales de alimentación: dos terminales
para dar cobertura al amplificador sobre la tensión diferencial Va-Vb (+Vcc y -Vcc) y
otro terminal para referir la tensión de salida Vo a masa (GND).

228

CIRCUITOS


Por lo tanto la tensión de salida Vo es igual:
Vd = Va - Vb
Vo = Gv x Vd

Se denomina Vd a la tensión diferencial tomada entre los terminales de salida del Puente
de Wheatstone.
Esta tensión de salida suele ser amplificada por medio de un amplificador de
instrumentación, tal y como muestra el siguiente gráfico:

Conexionado de un Amplificador de Instrumentación con un puente acondicionador

VA, VB: terminales de entrada de la tensión diferencial del puente
RG1, RG2: terminales de conexión de la resistencia de ganancia
Vo: tensión de salida referida a masa
La tensión Vo, salida del amplificador, es igual a la tensión de salida del puente (Vs)
por la ganancia de tensión del amplificador. Así, por ejemplo, para una tensión de salida
diferencial del puente de 20 microvoltios, si la ganancia está regulada en un valor de
1000, en la salida del amplificador se obtiene un valor de tensión de 20 milivoltios
referidos a masa.
El motivo fundamental del uso de amplificadores de instrumentación es el de hacer
apreciables las variaciones de tensión, del orden de microvoltios, que experimenta el
sensor colocado en el puente.

229

CIRCUITOS


SENSORES
SENSOR INDUCTIVO
El sensor para la detección del número de revoluciones y fase del motor es del tipo
inductivo, y opera a través de la variación de campo magnético generado por el paso
de los dientes de una polea dentada del cigüeñal.+

1: sensor nº revoluciones y fase
2: arrollamiento
3: imán permanente
4: cableado sensor nº revoluciones y fase
5: corona dentada polea del cigüeñal
3: tornillo fijación sensor
6: señal del sensor
7: referencia de fase

230

CIRCUITOS


Los dientes que pasan delante del campo magnético producen variaciones del entrehierro
entre polea y sensor; por lo tanto el flujo disperso, que varía en concordancia, induce
en las espiras del sensor una tensión alternada de forma senoidal cuya amplitud depende
de la velocidad angular de la rueda fónica, del entrehierro entre diente y sensor, de la
forma de los dientes, de las características magnéticas del sensor y del sistema de
soporte.

Señal de salida del sensor inductivo

Proceso de acondicionamiento de la señal

231

CIRCUITOS


Señal de salida del circuito acondicionador

La señal de salida, que varía entre 0.5 y 100 voltios en función del número de revoluciones,
es acondicionada por la unidad central de tal manera que obtenga una señal a cada
paso por cero, y una oscilación rectangular de amplitud constante. El intervalo entre
el inicio de un diente y el siguiente es de 6º, a excepción de la indicación de referencia,
realizada mediante la eliminación de dos de los sesenta dientes de la polea.
El hueco originado por la falta de los dos dientes suministra a la unidad central un punto
de referencia del cigüeñal, y cada diente sucesivo de la corona dentada, comunica a
la unidad central un incremento de su posición angular.
La variación debida al paso de los dientes y de las ranuras genera una frecuencia de
señales analógicas, es decir, fuerzas electromotrices que se generan en el sensor cada
6º, que se envían al circuito de acondicionamiento presente en la centralita, y se utilizan
para reconocer el número de revoluciones motor y el P.M.S.

Diagrama de bloques del circuito acondicionador

El circuito de acondicionamiento está formado por un recortador de dos niveles, o un
comparador analógico, que fija el nivel de tensión de salida entre cero y cinco voltios,
es decir, prepara la señal procedente del sensor inductivo en valores fácilmente tratables
por sistemas digitales (centralita de control).

232

CIRCUITOS


SENSOR PIEZOELÉCTRICO
El sensor piezoeléctrico de detonación está creado con el objetivo de evitar problemas
de picado de cilindros en el motor.
Con objeto de reducir el consumo y aumentar el par motor, se procura conseguir
compresiones altas. Sin embargo, a medida que aumenta la compresión, aumenta
también el riesgo de que se originen inflamaciones incontroladas de la mezcla combustible-
aire. Como consecuencia de ello se tiene una combustión detonante.
Las vibraciones de la cámara de combustión son detectadas por el sensor, reconocidas
por un circuito analizador y conducidas al circuito de regulación. En este caso, el
dispositivo de regulación desplaza el momento de encendido, en la dirección de retardo,
hasta que se desciende nuevamente por debajo del límite de detonación.
El sensor de detonación es de tipo piezoeléctrico montado sobre el bloque motor en
posición simétrica respecto a las parejas de cilindros 1-2 y 3-4. Dicha posición está
determinada por la necesidad de detectar el nacimiento de la detonación de forma
análoga para todos los cilindros. Cuando el motor detona, se generan vibraciones del
bloque con una determinada frecuencia: estas vibraciones son transformadas por el
sensor en una señal de tensión que es enviada a la centralita.

Circuito de regulación de control de “picado”

233

CIRCUITOS


Este sensor consta de un disco de cerámica piezoeléctrica, fabricada con masa sísmica,
que puede ser un cristal de cuarzo, en un encapsulado plástico; la masa sísmica transmite
las deformaciones que le han sido provocadas mediante vibraciones. Además, se necesita
un circuito de regulación de detonaciones, como unidad de regulación separada o
integrada en una unidad de control.
El principio de funcionamiento de este sensor se basa en la polarización eléctrica de las
moléculas de un cristal de cuarzo.
En estado de reposo las moléculas no poseen una orientación particular, tal y como
muestra la figura siguiente:

Moléculas de cristal de cuarzo sin polarizar

Cuando el cristal está sometido a una presión o a un choque, éstas se orientan de forma
tanto más marcada cuanto más elevada es la presión a la que está sometido el cristal.

Moléculas de cristal de cuarzo polarizadas

234

CIRCUITOS


Esta orientación produce una tensión en los terminales del cristal que es acondicionada
por un circuito de regulación que prepara la señal para que pueda ser tratada por la
unidad de control.

Bloque acondicionador del sensor de detonaciones

235

CIRCUITOS


A partir de las señales emitidas por el sensor se filtra y analiza la señal de detonación
característica. La unidad de control asigna al correspondiente cilindro las señales que
pasan a través del convertidor

Señales con detonaciones

En el punto de máxima compresión se produce el fenómeno de la detonación, por lo
que la señal analógica de salida del sensor presenta fuertes variaciones en su frecuencia
y amplitud. Esta señal es tratada por el circuito acondicionador para adecuar la señal
a los valores de tensión de trabajo del conversor analógico-digital, es decir, reduce
proporcionalmente los picos máximos de variación en la amplitud y aumenta la anchura
de los picos (filtro e integrador). El ADC convierte la tensión analógica a digital y compara
cada valor con el valor medio de tensión de los ciclos precedentes de cada cilindro.

236

CIRCUITOS


SENSOR EFECTO HALL
El efecto Hall consiste en que si un semiconductor recorrido por una corriente eléctrica
se coloca en un campo magnético perpendicular a una corriente, se genera una fuerza
electromotriz en dirección perpendicular a la corriente y al campo magnético.
La tensión de alimentación es constante, cinco voltios, y la tensión generada está unida
al campo magnético que actúa sobre el semiconductor, por lo tanto las variaciones de
campo magnético producen variaciones en la fuerza electromotriz resultante o tensión
Hall.

1. Deflector.
2. Material magnético.
3. Entrehierro.

Sensor Efecto Hall

La variación de campo magnético es provocada por un rotor con diafragmas que,
alternativamente, obstaculizan o permiten el paso de flujo magnético.
La señal de tensión generada por el sensor de efecto Hall, es elaborada por un circuito
acondicionador para proporcionarle a la centralita una señal cuadrada que varíe en torno
a valores digitales (cero o cinco voltios).

237

CIRCUITOS


El circuito acondicionador de la señal procedente del sensor efecto Hall está formado
por los siguientes elementos:

- Un filtro, formado por la resistencia R1 y el condensador C1, que elimina componentes
de frecuencia indeseables y elimina ruido eléctrico.
- Un condensador (C2) que estabiliza y alisa en tensión la señal procedente del filtro.
- Un circuito integrado IC1 formado por un montaje Tipo Darlington con transistores
bipolares.

Circuito acondicionador del sensor Efecto Hall

238

CIRCUITOS


Circuito interno del integrado IC1

La señal procedente del sensor, una vez alisada y filtrada convenientemente, ataca la
base del primer transistor T1 del montaje Darlington. Cuando una ranura del rotor se
sitúa perpendicular al sensor, se permite el paso de flujo magnético con lo que se genera
una tensión eléctrica que provoca la saturación del transistor dos del montaje Darlington
con lo que en la salida diferencial Va-Vb se tiene un valor de aproximadamente 0,4
voltios que es la tensión colector emisor de saturación de cada transistor.
En el caso de tener una zona del rotor que impida el paso de corriente, el montaje no
se polariza y por lo tanto se tiene en la salida diferencial una Va-Vb igual a cinco voltios.

239

CIRCUITOS


Señal de tensión de salida del circuito acondicionador

La señal de salida es una señal cuadrada que varía en torno a valores digitales de cero
o cinco voltios. Normalmente esta señal cuadrada se conecta a un contador digital, que
informa a la centralita constantemente del número de impulsos recibidos.

240

CIRCUITOS


SONDA LAMBDA
El sensor denominado Sonda Lambda está orientado a optimizar la mezcla combustible-
aire respecto de la potencia requerida.
La presencia en los gases de escape de elementos contaminantes, perjudiciales para
la salud se debe reducir. Los sistemas de control para el encendido y la preparación de
la mezcla pueden mejorar en cierta medida la composición de los gases de escape, pero
sólo es posible lograr una reducción substancial de los elementos contaminantes emitidos
utilizando catalizadores de gases de escape. Estos sólo funcionan eficazmente con
gasolina sin plomo y siempre que la combustión se realice de la mejor forma posible.
El sistema Lambda regula el caudal de combustible inyectado, de tal forma que la mezcla
aire-combustible permita una combustión perfecta y completa.
Para caracterizar la mezcla combustible-aire se ha elegido el coeficiente de aire (lambda):

= volumen de aire aspirado / necesidad teórica de aire

Los posibles valores de son los siguientes:

- = 1: el volumen de aire aspirado corresponde al caudal de aire teóricamente
necesario.

- < 1: falta de aire o mezcla rica.

- > 1: exceso de aire o mezcla pobre.

La potencia, el consumo y la composición de los gases de escape de un motor de gasolina
dependen esencialmente de la composición de la mezcla combustible-aire. La combustión
completa, utilizando gasolina, tiene lugar con una proporción de mezcla de
aproximadamente 14:1 (14 Kg. de aire por 1 Kg. de gasolina); esta situación implica
que = 1. En el margen de valores de en torno a 1 se consiguen los valores más
favorables de CO y de HC, siendo al mismo tiempo el consumo de combustible muy
favorable.

241

CIRCUITOS


Gráfica de composición de gases de escape

242

CIRCUITOS


La sonda Lambda está constituida por un cuerpo cerámico alojado en una carcasa que
lo protege frente a efectos mecánicos indeseables. La parte exterior del cuerpo cerámico
está en contacto con la corriente de gases de escape, estando la parte interior en
contacto con el aire ambiente

243

CIRCUITOS


El cuerpo está constituido por dióxido de circonio. Sus superficies llevan unos electrodos
formados por una capa de platino de poco espesor permeable a los gases. En el lado
expuesto a los gases de escape, la superficie va recubierta de una capa cerámica porosa
que protege la superficie de los electrodos contra la suciedad debida a los residuos de
la combustión que se encuentran en suspensión en los gases de escape.
Mediante la sonda Lambda se puede medir el contenido de oxígeno de los gases de
escape. La señal de la sonda es una medida de la composición de la mezcla.

Relación entre mezcla y tensión de la Sonda Lambda

244

CIRCUITOS


El principio de funcionamiento de la sonda se basa en que el material cerámico utilizado
se vuelve conductor para los iones de oxígeno a temperaturas superiores a 300ºC. Si
el contenido de oxígeno no es igual a ambos lados de la sonda, entonces, debido a las
propiedades características del material utilizado, se origina una curva de tensión con
punto de inflexión y salto en el margen = 1.

Diagrama de impulsos para la regulación Lambda

El principio de funcionamiento eléctrico del circuito acondicionador de señal se basa en
la utilización de comparadores analógicos.
Para = 1 la tensión de salida de la sonda es de 400 mv. aproximadamente, este valor
de tensión marca el límite entre mezcla rica y mezcla pobre, por lo que este valor es
la tensión de referencia (Vref) del circuito acondicionador.

245

CIRCUITOS


Diagrama de bloques del circuito acondicionador

Si el valor de tensión de la sonda Lambda está por debajo de la tensión de referencia
(Vref) la mezcla es pobre, en caso de que sea superior a Vref, aproximándose a 800
mv., la mezcla es rica.
El circuito electrónico que cubre el acondicionamiento de señal es un amplificador de
tensión seguido de un comparador inversor con tensión de referencia, alimentado entre
0 y 12 v.
El valor de Vref de comparación es el valor teórico para = 1, es decir, 400 mv
multiplicado por la ganancia del amplificador. Por ejemplo, si la ganancia de tensión
(Gv) del amplificador es de 5, la tensión de referencia del comparador es de 2 voltios
(400 mv x 5).
Si la mezcla es rica, la tensión de salida del sensor es aproximadamente de 800 mv.,
al amplificarse con ganancia 5 se obtienen 4 voltios a la entrada del comparador. Al ser
mayor que la tensión de referencia del comparador (4 v.), y tratarse de un comparador
inversor, la salida es de 0 voltios (comparador alimentado entre 0 y 12 v.). Si la mezcla
es pobre, el circuito acondicionador proporciona a su salida una tensión de 12 voltios.

246

CIRCUITOS


SENSOR DE PRESIÓN (GALGA EXTENSIOMETRICA)
Los sensores de presión suelen fabricarse tomando como base elementos que varían
su resistencia eléctrica con la deformación física; el más utilizado de estos elementos
es la galga extensiométrica.
En el automóvil pueden ir situados sobre elementos que soportan grandes presiones,
con el fin de protección; o pueden ir situados sobre membranas, con el objetivo de
calcular caudales de aire.
La galga extensiométrica se compone de un hilo resistivo dispuesto en zig-zag sobre
un material soporte, de manera que la deformación del material soporte se transmite
a la galga, la cual se encoge o se estira variando su longitud, y por lo tanto su resistencia,
ya que la resistencia varía según la ecuación:

R = r x (L / S)

R : resistencia eléctrica.
r : resistividad característica del material.
L : longitud del hilo.
S : sección del hilo.

Su ecuación de comportamiento relaciona la magnitud resistiva con la magnitud de
presión.

Gráfico de una galga extensiométrica (sensor de presión)

247

CIRCUITOS


Al aplicar una fuerza en sentido longitudinal al material soporte de la galga, éste se
encoge longitudinalmente y se estira transversalmente, deformándose la galga y
provocando una variación de resistencia.
La ecuación de comportamiento de cada galga es una ecuación física de la forma:
Rg = R0 x (1 + (K1x El)).
Rg = resistencia de la galga.
R0 = resistencia inicial de la galga sin deformaciones.
K1 = constante que depende del material soporte.
E = deformación lineal de la galga.

El valor de variación de resistencia es el producto de una constante K1 por un factor
El que depende del grado de deformación del material soporte. Acondicionar la señal
de una galga extensiométrica, implica colocar la galga dentro de un Puente de Wheatstone
para obtener a la salida la deformación del material soporte, expresada en voltios, entre
los terminales A y B.

248

CIRCUITOS


APLICACIONES DE INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA

TERMÓMETRO DIGITAL
Mediante un sensor de temperatura NTC se mide la temperatura en cualquier elemento.
El valor de tensión proporcionado por el sensor es acondicionado, y convertido a digital
mediante un conversor ADC. Este valor digital direcciona una memoria EPROM y los
datos de salida de esta memoria son los correspondientes al valor en grados de la
temperatura medida. Utilizando decodificadores y displays de siete segmentos se visualiza
el valor de la temperatura.

249

CIRCUITOS


Circuito electrónico del termómetro digital.

La NTC se acondiciona, dependiendo de la temperatura mínima y máxima que puede
soportar, mediante un puente de Wheatstone. La señal diferencial medida por este
puente es amplificada y acondicionada adecuadamente mediante un amplificador de
instrumentación de ganancia de tensión Gv.
La señal de tensión acondicionada se transforma mediante un conversor analógico/digital
(ADC) en un código binario. Este código direcciona una memoria EPROM previamente
programada. Esta memoria EPROM tiene de longitud de palabra 16 bits, cuatro para las
unidades, cuatro para las decenas, cuatro para las centenas, tres para los millares y
uno para el signo. Cada posición de memoria tiene 16 bits que conforman el valor de
una determinada temperatura. Dependiendo del código de direccionamiento proporcionado
por el ADC, la memoria vuelca sobre los displays el valor decimal de temperatura
correspondiente.
El código proporcionado por la memoria EPROM es decodificado por cifras para poder
actuar sobre cada uno de los displays, de manera que se ilumine la cifra correspondiente.
La memoria se direcciona mediante nueve bits, ocho son proporcionados por el ADC y
el noveno bits se selecciona externamente por el usuario. Dependiendo del valor de este
último bit, la memoria vuelca los datos del valor de la temperatura en grados Celsius
o en grados Fahrenheit.

250

CIRCUITOS


AVISADOR LUMINOSO DE RESERVA DE COMBUSTIBLE
Un aforador mide la cantidad de combustible presente en el depósito. El aforador está
formado por un potenciómetro angular cuyo cursor se mueve mecánicamente con el
nivel de combustible por medio de un flotador.
Cuando el nivel de combustible está en la zona de reserva, se enciende un testigo
luminoso.

Avisador luminoso de reserva de combustible

El aforador varía su tensión de salida dependiendo de la cantidad de combustible. Este
valor medido por el aforador es comparado con un valor de tensión de referencia,
calculado en laboratorio, que se corresponde con la cantidad de combustible que se
toma como nivel de reserva. El valor de la tensión de referencia se aplica mediante un
potenciómetro al terminal de referencia del comparador; el valor de tensión proporcionado
por el aforador se aplica al otro terminal del comparador. Dependiendo de si el valor
de tensión proporcionado por el aforador supera o no el valor de tensión de referencia,
el comparador da a su salida un valor bajo (masa) o alto (Vcc) de tensión respectivamente,
ya que el comparador es inversor. Si el valor es alto el diodo LED se ilumina.

251

CIRCUITOS


CONTROL DE TEMPERATURA EN UN RECINTO
El propósito de este tipo de control es mantener la temperatura de un recinto entre un
valor máximo y mínimo constante. Este control actuaría sobre un actuador electromecánico
que haría descender o ascender la temperatura para mantenerla dentro de su variación
permitida; es decir, el circuito de control es el que avisa si la temperatura supera alguno
de los valores límite de temperatura (máximo y mínimo).

Control de temperatura en un recinto

El sensor utilizado para medir la temperatura del recinto es el denominado LM35, este
sensor proporciona una tensión diferencial (entre dos puntos) dependiendo de la
temperatura que detecte.
Las tensiones VA y VB proporcionadas por el sensor son restadas por medio del circuito
diferencial, obteniendo a su salida una única tensión amplificada denominada VS1
referida a masa.
Esta tensión se compara con un valor de tensión de referencia mediante una báscula
Schmitt no inversora. El valor de tensión de referencia proporciona los valores de
conmutación de la báscula, que se corresponden con la temperatura máxima y mínima
permitida. Si se sobrepasa alguno de estos dos valores se enciende un indicador luminoso.

252

CIRCUITOS


MOTORES PASO A PASO
El motor paso a paso, también llamado “Stepper motor”, es un dispositivo electromecánico
cuyo eje gira en pasos angulares siguiendo unos impulsos eléctricos ordenados en
número y velocidad. Las partes de que se compone son: un rotor, que puede ser un
imán permanente, y un estator con arrollamientos o bobinados uniformemente distribuidos
a lo largo de su superficie.
El motor paso a paso gira un determinado ángulo cada vez que recibe un impulso
eléctrico en una de sus bobinas.
Este tipo de motores pueden considerarse motores digitales puesto que convierten
información digital en movimientos mecánicos. Su uso es simple y presentan la ventaja
de que al actuar en saltos de ángulo fijos, accionado directamente por los impulsos de
control, se puede controlar en todo momento la posición del eje del motor. La difusión
actual de los motores paso a paso está unida al desarrollo de microcontroladores cada
vez más potentes y al hecho de ser controlables directamente por ordenadores.

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

El principio de funcionamiento de un motor paso a paso se basa en la orientación de
un imán permanente o un núcleo de hierro por la acción de un campo magnético (flujo
magnético en el material ferromagnético del estator) producido por el paso de una
corriente eléctrica.

Esquema interno de un motor paso a paso

253

CIRCUITOS


La posición que toma el eje depende del número de bobinados existentes en el estator
del motor y del número de polos del rotor. Si se alimentan en sucesión los arrollamientos
o bobinados se crea un campo magnético giratorio que es seguido por el rotor. El sentido
de la rotación lo marca el sentido de alimentación de los bobinados.

Estator de un motor paso a paso con cuatro bobinados.

Alimentando las bobinas según la secuencia A1-B1-A2-B2 se consigue que el eje del
motor gire en sentido dextrógiro (a derechas) en pasos de 90º.
Existen multitud de configuraciones posibles en la creación de motores paso a paso
dependiendo del número de bobinas y del número de partes salientes del imán permanente.
Los ángulos de paso estándar son los siguientes:

ÁNGULOS DE PASO PASOS / VUELTA
1,8º 200
3,75º 96
7,5º 48
15º 24

Se puede realizar cualquier movimiento incremental siempre que sea múltiplo del ángulo
de paso; por ejemplo:

6 pasos x 7,5 º/paso = 45º.

254

CIRCUITOS


CONTROL DE MOTORES PASO A PASO
En el control del movimiento del rotor de un motor paso a paso hay que tener en cuenta
varios aspectos, entre los más importantes figuran:
- Formas de accionamiento (pilotaje).
- Circuitos de alimentación de las bobinas del estator (drivers).
- Circuitos secuenciadores.

255

CIRCUITOS


FORMAS DE ACCIONAMIENTO
La forma de accionar o pilotar un motor paso a paso depende únicamente de la
construcción y la disposición de los bobinados en el estator.

Bobinado con toma intermedia

A, B y C: terminales de alimentación.
L, L1 y L2: valores de inducción de la bobina dependiendo de los terminales de conexión.

Los bobinados pueden ser fabricados con una toma intermedia; dependiendo de cómo
estén conectados los terminales de la bobina y la toma intermedia, se tienen las siguientes
conexiones:

Alimentación de bobina por terminales A y B

Alimentación de bobina por terminales A y C

256

CIRCUITOS


Alimentación de bobina por terminales B y C

Si la alimentación de la bobina se realiza entre los terminales A y B la bobina resultante
es una bobina de valor L. De la misma manera si la alimentación de la bobina se realiza
entre A y C, la bobina resultante es una bobina de valor L1. Cuando la alimentación de
la bobina se realiza entre B y C, la bobina tiene un valor de L2.

-N: norte magnético.
-S: sur magnético.
-P, Q, R y S: bobinados del
estator.
-S1 y S2: conmutadores.

Accionamiento unipolar de un motor paso a paso con bobinados
con toma intermedia

257

CIRCUITOS


En motores paso a paso con bobinados provistos de toma intermedia, el pilotaje es
denominado “unipolar”. Con bobinados en el estator sin toma intermedia el pilotaje es
“bipolar”.
En el caso de pilotaje unipolar el circuito de alimentación debe tener dos conmutadores
que conecten las líneas de alimentación. El conmutador S1 conecta las líneas de
alimentación al bobinado P o al bobinado Q, mientras que el conmutador S2 conecta
las líneas de alimentación a los bobinados R o S. La toma intermedia de ambas bobinas,
está conectada a uno de los bornes de la fuente (borne positivo). El sentido de la
corriente está determinado por el terminal (A, B, C, D) al que se conecta el otro borne
de la fuente, que es el borne negativo (borne -).

P y R: bobinados del estator.
S1, S2, S3 y S4: conmutadores.

Accionamiento bipolar de un motor paso a paso.

258

CIRCUITOS


En los motores de accionamiento bipolar las bobinas no tienen toma central. El cambio
de polaridad en el campo magnético producido por las bobinas del estator se obtiene
cambiando el sentido de la corriente que circula por ellas, mediante la conmutación de
las líneas de alimentación. Por lo tanto, se necesitan cuatro conmutadores.
Con este pilotaje se obtiene un incremento del par, pero el control electrónico de estos
motores es más complejo que el control unipolar ya que a elevadas velocidades se
producen sobrecalentamientos. Este tipo de pilotaje es poco utilizado por el elevado
número de transistores (dos por cada conmutador) que se necesitan.
Para que el rotor de un motor paso a paso gire de una manera gradual, es necesario
que la secuencia de conmutación en las líneas de alimentación de las bobinas P, Q, R,
S (control unipolar) o R, S (control bipolar) debe generar un movimiento del rotor que
varíe en ángulos múltiplos del ángulo de paso estándard del motor.
Las variaciones de ángulo dependiendo de la conmutación de las líneas de alimentación
de las bobinas del estator, en el caso de bobinas con toma intermedia, se presenta en
el siguiente gráfico:

Accionamiento unipolar con alimentación de un solo bobinado

Detalle del rotor con referencia del movimiento

259

CIRCUITOS


Secuencia de alimentación del estator

260

CIRCUITOS


Alimentando únicamente uno de los bobinados (R, S, P, Q,) se crea un flujo electromagnético
en la zona del estator en la cual va arrollada la bobina, por lo tanto hay dos zonas por
las que circula flujo electromagnético que son: estator PQ y estator RS. El flujo
electromagnético es creado por la circulación de corriente a lo largo del material
ferromagnético de que está compuesto el estator. El sentido de la corriente orienta el
sentido del flujo en la misma dirección. El flujo electromagnético crea en el estator dos
polos magnéticos, uno positivo (norte), que va a atraer al polo negativo (sur) del imán
permanente del rotor, y otro negativo que va a atraer al polo positivo del rotor. Las
fuerzas magnéticas generadas en el rotor producen el movimiento en el eje del motor.
Alimentando el bobinado P del estator PQ, debido al sentido de la corriente que circula
por la bobina P, sólo existen dos polos magnéticos en el estator. El sentido del flujo
marca la zona de polarización norte y la zona de polarización sur del estator. El imán
permanente del rotor orienta su norte con la zona sur del estator, generando un
movimiento en el eje adosado a él. El estudio para una bobina es aplicable a cualquiera
de los bobinados restantes (Q, R, S) pero teniendo en cuenta el sentido de la corriente
y del flujo, y cómo va a estar polarizado cada estator (PQ, RS).

Accionamiento unipolar con alimentación de dos bobinados

261

CIRCUITOS


Detalle del rotor y referencia del movimiento

Secuencia de alimentación simultánea del estator

Tomando como base la creación de polos en el estator alimentando un solo bobinado,
el estudio en casos de alimentación de dos bobinados simultáneamente, tiene como
diferencias el incremento del número de polos que actúan sobre el imán permanente
del rotor. Por ejemplo, en el supuesto de alimentar el bobinado P del estator PQ y el
bobinado R del estator RS, se crean cuatro polos (dos norte y dos sur), los polos norte
de ambos estator atraen hacia sí el polo sur del rotor, esta atracción genera en el eje
del motor un giro de un ángulo igual al número de grados por paso.

262

CIRCUITOS


DRIVERS
Son circuitos situados entre el motor y el circuito secuenciador cuya función va a ser
la de conmutar la alimentación de los bobinados del motor. Los drivers contienen
conmutadores que van a ser transistores funcionando en zona de corte o zona de
saturación para que su comportamiento sea equivalente a un interruptor.

FASE 2: bobinado 2 del estator.
A1, A2, A3 y A4: líneas de control.
RELOJ: generador de impulsos cuadrados

Esquema interno del driver de un bobinado de un motor paso a paso

.
Los drivers, actualmente, integran los transistores y resistencias necesarias para que,
trabajando con valores digitales a su entrada, conmute la alimentación de los bobinados
del motor paso a paso. El montaje interno más utilizado es el montaje Darlington de
transistores bipolares.

263

CIRCUITOS


CIRCUITOS SECUENCIADORES
Estos circuitos generan las secuencias en la alimentación de los bobinados de un motor
paso a paso. Los circuitos secuenciadores son los circuitos de control de los drivers.
Normalmente están formados por un integrado generador de impulsos, como puede ser
un oscilador LM555, cuya salida va conectada a la entrada UP/DOWN de un contador
binario.

Diagrama de bloques de un sistema electrónico basado en
motores paso a paso

La salida binaria del contador va conectada a un decodificador binario que hace que en
el Driver del motor paso a paso conmuten determinados transistores y estos a su vez
varíen las líneas de alimentación de los bobinados del motor. La función del oscilador
puede ser realizada, en aplicaciones complejas, por un microcontrolador que genera los
impulsos eléctricos que incrementan el estado del contador binario.

MÓDULOS COMERCIALES
La siguiente tabla muestra los tipos de motores, características y fabricantes que se
dedican a su comercialización, en el mercado industrial de los motores paso a paso:

FABRICANTE ALIMENTACIÓN PASO INERCIA ROTOR PAR
(Voltios) (Grados) (gr/m2) (N·cm)
AOUSTIN 2,5 - 40 0,72 - 15 120 a 1.500 37,4 a 1907
GROUZET 6 - 24 7,5 - 18 5,6 - 18 1,1 a 8,6
SIEMENS 24 - 48 15 N/D 2,5 a 30
MINIWATT 24 - 48 7,5 - 15 N/D 2,5 a 30

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