Fig. 03 · Laboratorio de robótica · La lógica controla la potencia

Interruptor de motor con transistor

Arduino Nano

Cargando la figura…

Banco

Aún sin lectura

Pin 9 (ciclo de trabajo)

Aún sin lectura

Consumo de corriente

0 mA

Monta y avería

1MontajeSiguiente
Deja la Nano en la PCB desnuda
Empieza por la placa desnuda para ver cómo se coloca cada pieza. Aquí la Nano es la controladora; el circuito del motor vive en la protoboard.
2
Colocación automática de las piezas SMD, y luego reflujo
3
Coloca las dos tiras de 15 pines
4
Suelda los pines de las tiras
5
Coloca el TIP120 y su resistencia de base
6
Coloca el motor y el diodo de protección
7
Conecta la batería y la tierra común
8
Conecta el USB
9
Carga PWM 50 %
10
Mide la ganancia
11
Desconéctala y abre la vista despiezada
12
Averíalo: quita el diodo de protecciónAveríala
13
Averíalo: coloca el diodo al revésAveríala
14
Averíalo: pon el TIP120 al revésAveríala
15
Averíalo: olvida la tierra comúnAveríala
16
Averíalo: quita la resistencia de baseAveríala
17
Averíalo: conecta el motor directamente al pin 9Averíala
18
Averíalo: alimenta el motor con los 5 V de la NanoAveríala
19
Averíalo: conecta los cables de la batería al revésAveríala
20
Averíalo: llena el portapilas con celdas de iones de litioAveríala
21
Averíalo: una soldadura fría en el terminal del motorAveríala
22
Averíalo: sujeta la ruedaAveríala

Averíala a propósito

Cada avería es de las que pillan a quien monta de verdad. Provócala, lee el síntoma en el banco y luego arréglala.

Sin diodo de protección
falta una pieza
Por qué pasa
Síntoma: El motor gira, pero el pico del colector marca 60 V o más en cada apagado. En PWM eso son 490 golpes por segundo: tras unos segundos el TIP120 falla en cortocircuito y el motor gira a tope diga lo que diga el pin 9.
Un motor es una bobina. Cuando el TIP120 se apaga, la bobina mantiene su corriente un momento y sube el colector hasta que algo cede: aquí, el transistor entra en ruptura en su límite de 60 V y absorbe la energía. Un apagado lo aguanta; cientos por segundo lo desgastan, y un transistor muerto suele fallar en cortocircuito. Con D1 en su sitio, la corriente da la vuelta por el diodo y el colector se para una caída de diodo por encima de la batería.
Solución: Desconecta, coloca un TIP120 nuevo y pon D1 entre los extremos del motor, con la banda hacia el positivo de la batería.
Diodo de protección al revés
pieza al revés
Por qué pasa
Síntoma: En cuanto el pin 9 pasa a HIGH, el diodo se calienta, la tensión de la batería se hunde y el motor va más lento. Con el pin 9 en LOW no pasa nada.
Al revés, D1 apunta del positivo de la batería al colector. Cuando el TIP120 se enciende lleva el colector a tierra, y entonces el diodo conduce directamente del positivo de la batería a tierra: un cortocircuito franco a través de D1 y del transistor, limitado solo por las pilas. Varios amperios por un diodo de 1 A lo cuecen.
Solución: Desconecta la batería y dale la vuelta a D1: banda hacia el positivo de la batería.
TIP120 al revés
pieza al revés
Por qué pasa
Síntoma: El LED se enciende, el pin 9 está en HIGH, pero la rueda nunca gira y no se calienta nada.
Dar la vuelta a un TO-220 intercambia sus patas de los extremos: la resistencia llega ahora al emisor y la base queda en tierra. La unión base-emisor queda polarizada en inversa, así que no circula corriente de base y el transistor sigue apagado. En este encapsulado no se intercambian el colector y el emisor, sino la base y el emisor.
Solución: Desconecta y dale la vuelta al TIP120: cara impresa hacia ti, base a la izquierda.
Sin tierra común
entrada flotante
Por qué pasa
Síntoma: El LED se enciende, el pin 9 está en HIGH, pero el motor no gira.
La corriente de base sale del pin 9, pasa por R1, por la base y por el emisor hasta la línea de tierra, y tiene que volver al GND de la Nano para cerrar el circuito. El negativo de la batería no es la tierra de la Nano salvo que un cable los una, así que no circula corriente y el TIP120 sigue apagado. El LED tiene su propio cable al GND de la Nano, y por eso sigue encendiéndose.
Solución: Pon un cable desde el GND de la Nano a la línea del negativo de la batería.
Sin resistencia de base
sobrecorriente
Por qué pasa
Síntoma: El motor arranca de golpe y luego el pin 9 deja de funcionar: el LED se apaga y el motor se para. La Nano se calienta cerca del chip.
Con solo un cable, el pin 9 ataca directamente la unión de la base. La unión mantiene la base cerca de 1,3 V, así que lo único que limita la corriente es el propio transistor de salida del pin: intenta dar bastante más de 100 mA. El ATmega328P admite 40 mA por pin como máximo absoluto, y su etapa de salida se quema.
Solución: Desconecta y vuelve a colocar la resistencia de base de 1 kΩ. El pin 9 de la Nano está dañado: usa otro pin PWM (3, 5, 6, 10 u 11) o una Nano nueva.
Motor directamente en el pin 9
sobrecorriente
Por qué pasa
Síntoma: La rueda da un tirón o no hace nada, y al momento el pin 9 está muerto.
El motor necesita unos 160 mA para girar y más de 1 A para arrancar. El pin 9 puede dar 20 mA con holgura y 40 mA como máximo absoluto. Al intentarlo, la tensión del pin se hunde muy por debajo de un voltio, demasiado poco para arrancar el motor, mientras la etapa de salida sobrecargada se sobrecalienta y falla.
Solución: Desconecta, vuelve a poner el TIP120 entre el motor y tierra, y usa otro pin: el pin 9 está dañado.
Caída de tensión: el motor en los 5 V de la Nano
caída de tensión
Por qué pasa
Síntoma: Cada vez que arranca el motor, la Nano se reinicia: el LED parpadea apagándose, el mensaje inicial del monitor serie se repite, la rueda da un tirón y se para.
Alimentados por USB, los 5 V de la Nano pasan por un polifusible de 500 mA y un diodo Schottky. Un motor que arranca traga más de 1 A, la línea de 5 V cae por debajo del nivel de caída de tensión de 2,7 V del ATmega328P y el chip se reinicia. El pin 9 pasa a LOW, el motor deja de consumir, la línea se recupera, el sketch vuelve a empezar y enciende el motor: y vuelta a empezar.
Solución: Alimenta el motor con su propia batería y comparte solo la tierra.
Polaridad de la batería invertida
polaridad invertida
Por qué pasa
Síntoma: D1 se calienta al momento, haga lo que haga el pin 9, y las pilas se calientan. El motor no gira.
Con los cables cambiados, el positivo de la batería está en la línea de tierra. La corriente circula ahora en directa por el diodo emisor-colector integrado del TIP120 y luego en directa por D1: dos caídas de diodo directamente entre los extremos de la batería, un cortocircuito franco limitado solo por la resistencia interna de las pilas.
Solución: Desconecta la batería e intercambia sus cables: el rojo a la línea positiva y el negro a la línea de tierra.
Tensión equivocada: celdas de iones de litio en un portapilas AA
tensión incorrecta
Por qué pasa
Síntoma: La batería marca unos 16 V, la rueda gira chillando a tres veces su velocidad, y al rato el motor huele a caliente y se para.
Una celda 14500 de iones de litio tiene el tamaño de una AA pero da 3,7 V nominales y 4,2 V cargada, así que cuatro dan unos 16,8 V en lugar de 6 V. El motor de 3-6 V gira muy por encima de su velocidad, sus escobillas hacen arco y sus bobinados se sobrecalientan. Al TIP120 (60 V) y a D1 (1000 V) no les importa; al motor, sí.
Solución: Usa cuatro pilas AA alcalinas de 1,5 V (o de NiMH de 1,2 V): 4,8-6,4 V.
Soldadura fría en el motor
soldadura fría
Por qué pasa
Síntoma: La rueda va a trompicones: gira, se para y vuelve a girar, aunque el pin 9 sigue en HIGH.
El estaño nunca mojó el terminal del motor, así que la soldadura solo está apoyada en él. La vibración hace y deshace el contacto, y cada corte es también un pequeño apagado que tiene que absorber el diodo de protección.
Solución: Vuelve a calentar la soldadura hasta que el estaño fluya sobre el terminal y forme un filete brillante.
Motor bloqueado
sobrecalentamiento
Por qué pasa
Síntoma: La rueda se para, la corriente del motor salta por encima de 1 A, la tensión de la batería cae y el TIP120 se calienta.
Un motor que gira genera una tensión inversa que mantiene baja su corriente. Parado, solo la limitan los pocos ohmios del bobinado: unos 1,5 A a 6 V. Entonces el TIP120 tiene una caída de 1 V y disipa más de un vatio, cerca de su límite de 2 W sin disipador, y las pilas caen con la carga.
Solución: Suelta la rueda. En un robot, detecta el bloqueo (por la corriente o por un pulso de encoder que falta) y corta la alimentación.

Conoce el banco

un pin de 20 mA conmuta un motor de 160 mA

Un pin de la Nano puede dar unos 20 mA (40 mA es el límite absoluto). Un motorreductor TT quiere unos 160 mA solo para mover su rueda, y más de 1 A en el instante en que arranca o cuando sujetas la rueda. Conéctalo a un pin y el pin muere. Aquí el pin 9 mete unos 3,4 mA a través de una resistencia de 1 kΩ en la base de un Darlington TIP120, y esa corriente pequeña conmuta la alimentación propia del motor: cuatro pilas AA, 6 V. El motor va entre el positivo de la batería y el colector del TIP120 (un interruptor en el lado bajo), el emisor va a tierra, y el negativo de la batería comparte esa tierra con la Nano. Un diodo 1N4007 entre los extremos del motor da a la corriente de la bobina un sitio adonde ir cuando el transistor se apaga; sin él, la bobina dispara el colector por encima de los 60 V que admite el TIP120. Un LED verde en el pin 9 muestra lo que hace el pin, a medio brillo en PWM porque tu ojo hace la media, igual que el motor.

Fuentes

En el banco

Seleccionado

El sketch usa 1568 bytes del espacio de almacenamiento de programa

Código: Entrada HIGH

// Entrada HIGH: el pin 9 mantiene el TIP120 encendido del todo
const int IN = 9;          // a R1 (1 kΩ), y luego a la base del TIP120

void setup() {
  pinMode(IN, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
  digitalWrite(IN, HIGH);  // unos 3.4 mA en la base...
  Serial.println("pin 9 HIGH: TIP120 on, motor runs");
}

void loop() {}             // ...dejan pasar por el motor los 160 mA de la batería
// un pin da 20 mA como mucho: nunca le conectes un motor

Tareas prácticas

0/4 tareas

Escribe el código y luego ejecuta las comprobaciones. La ejecución usa un reloj virtual y un entorno con guion, así que el mismo código da siempre el mismo resultado.

Haz pulsar el motor sin delay()

Arduino C++

Enciende el motor 1 s y apágalo 1 s, para siempre, usando millis() en lugar de delay(), para que el sketch pueda seguir leyendo botones o sensores entre medias.

Comprobaciones

Aún sin ejecutarEl pin 9 cambia con un periodo de 2 s
Aún sin ejecutarEl motor está encendido a los 1,5 s
Aún sin ejecutarEl motor está apagado a los 2,5 s
Aún sin ejecutarUsa millis(), sin delay()

Pistas

Recuerda cuándo cambiaste por última vez: unsigned long last = 0;
En loop(), cuando millis() - last >= 1000, suma 1000 a last y cambia el pin.
digitalWrite(MOTOR, on ? HIGH : LOW) escribe un indicador bool en el pin.

Código de Haz pulsar el motor sin delay()

Arranque suave

Arduino C++

Arrancar a plena potencia hace que el motor trague más de 1 A durante un instante. Sube el pin 9 de 0 a 255 en 2 s con analogWrite() y millis(), y luego mantén la velocidad máxima.

Comprobaciones

Aún sin ejecutarCiclo de trabajo de un 25 % a los 0,5 s
Aún sin ejecutarCiclo de trabajo de un 50 % a 1 s
Aún sin ejecutarCiclo de trabajo de un 75 % a los 1,5 s
Aún sin ejecutarEncendido del todo a los 2,5 s
Aún sin ejecutarUsa millis() y analogWrite(), sin delay()

Pistas

t = millis() - start te dice por dónde vas de la rampa.
El ciclo de trabajo es t * 255 / RAMP_MS mientras t < RAMP_MS: con unsigned long aquí no puede desbordarse.
Después de la rampa, analogWrite(MOTOR, 255) mantiene el pin encendido del todo.

Código de Arranque suave

Mando de velocidad

Arduino C++

Un potenciómetro de 10 kΩ en A0 fija la velocidad del motor. Convierte su lectura de 0-1023 a 0-255 para analogWrite(), y apaga del todo el motor por debajo de un ciclo de trabajo de 40, donde el motor TT solo zumba y se calienta en lugar de girar.

Comprobaciones

Aún sin ejecutarMando en cero: motor apagado
Aún sin ejecutarMando a la mitad: ciclo de trabajo de un 50 %
Aún sin ejecutarMando a tope: motor encendido del todo
Aún sin ejecutarMando casi en cero: motor apagado, sin zumbar
Aún sin ejecutarLee A0 y escribe el pin 9 con analogWrite()

Pistas

map(raw, 0, 1023, 0, 255) escala la lectura.
if (duty < 40) duty = 0; da la zona muerta.
analogWrite(9, 0) y analogWrite(9, 255) dan un LOW y un HIGH fijos.

Código de Mando de velocidad

Botón conmutador con antirrebote

Arduino C++

Un pulsador de D2 a tierra (INPUT_PULLUP) conmuta el motor: pulsa una vez para encenderlo y otra para apagarlo. Los contactos rebotan durante unos milisegundos, y el sketch inicial cuenta cada rebote como una pulsación. Ponle antirrebote con millis().

Comprobaciones

Aún sin ejecutarLa primera pulsación enciende el motor en menos de 60 ms
Aún sin ejecutarSigue encendido después de los rebotes
Aún sin ejecutarLa segunda pulsación lo apaga en menos de 60 ms
Aún sin ejecutarSigue apagado
Aún sin ejecutarUsa millis() e INPUT_PULLUP, sin delay()

Pistas

Apunta la hora cada vez que cambie la lectura en bruto.
Acepta un estado nuevo solo después de que la lectura se haya mantenido igual durante 30 ms.
Conmuta solo en el cambio a LOW: eso es la pulsación, no la suelta.

Código de Botón conmutador con antirrebote

Monta y avería

1MontajeSiguiente

Deja la Nano en la PCB desnuda

Empieza por la placa desnuda para ver cómo se coloca cada pieza. Aquí la Nano es la controladora; el circuito del motor vive en la protoboard.

Colocación automática de las piezas SMD, y luego reflujo

Coloca las dos tiras de 15 pines

Suelda los pines de las tiras

Coloca el TIP120 y su resistencia de base

Coloca el motor y el diodo de protección

Conecta la batería y la tierra común

Conecta el USB

Carga PWM 50 %

Mide la ganancia

Desconéctala y abre la vista despiezada

Averíalo: quita el diodo de protecciónAveríala

Averíalo: coloca el diodo al revésAveríala

Averíalo: pon el TIP120 al revésAveríala

Averíalo: olvida la tierra comúnAveríala

Averíalo: quita la resistencia de baseAveríala

Averíalo: conecta el motor directamente al pin 9Averíala

Averíalo: alimenta el motor con los 5 V de la NanoAveríala

Averíalo: conecta los cables de la batería al revésAveríala

Averíalo: llena el portapilas con celdas de iones de litioAveríala

Averíalo: una soldadura fría en el terminal del motorAveríala

Averíalo: sujeta la ruedaAveríala

Conoce el banco

un pin de 20 mA conmuta un motor de 160 mA

En el banco

Seleccionado

El sketch usa 1568 bytes del espacio de almacenamiento de programa

Código: Entrada HIGH

// Entrada HIGH: el pin 9 mantiene el TIP120 encendido del todo
const int IN = 9;          // a R1 (1 kΩ), y luego a la base del TIP120

void setup() {
  pinMode(IN, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
  digitalWrite(IN, HIGH);  // unos 3.4 mA en la base...
  Serial.println("pin 9 HIGH: TIP120 on, motor runs");
}

void loop() {}             // ...dejan pasar por el motor los 160 mA de la batería
// un pin da 20 mA como mucho: nunca le conectes un motor

Interruptor de motor con transistor

El banco

Monta y avería

Deja la Nano en la PCB desnuda

Colocación automática de las piezas SMD, y luego reflujo

Coloca las dos tiras de 15 pines

Suelda los pines de las tiras

Coloca el TIP120 y su resistencia de base

Coloca el motor y el diodo de protección

Conecta la batería y la tierra común

Conecta el USB

Carga PWM 50 %

Mide la ganancia

Desconéctala y abre la vista despiezada

Averíalo: quita el diodo de protecciónAveríala

Averíalo: coloca el diodo al revésAveríala

Averíalo: pon el TIP120 al revésAveríala

Averíalo: olvida la tierra comúnAveríala

Averíalo: quita la resistencia de baseAveríala

Averíalo: conecta el motor directamente al pin 9Averíala

Averíalo: alimenta el motor con los 5 V de la NanoAveríala

Averíalo: conecta los cables de la batería al revésAveríala

Averíalo: llena el portapilas con celdas de iones de litioAveríala

Averíalo: una soldadura fría en el terminal del motorAveríala

Averíalo: sujeta la ruedaAveríala

Averíala a propósito

Sin diodo de protección

Diodo de protección al revés

TIP120 al revés

Sin tierra común

Sin resistencia de base

Motor directamente en el pin 9

Caída de tensión: el motor en los 5 V de la Nano

Polaridad de la batería invertida

Tensión equivocada: celdas de iones de litio en un portapilas AA

Soldadura fría en el motor

Motor bloqueado

Estado en vivo

Consumo de corriente

Ponte a prueba

Después de: Colocación automática de las piezas SMD, y luego reflujo

Después de: Suelda los pines de las tiras

Después de: Conecta la batería y la tierra común

Después de: Carga PWM 50 %

Después de: Averíalo: quita el diodo de protección

Después de: Averíalo: conecta el motor directamente al pin 9

Después de: Averíalo: alimenta el motor con los 5 V de la Nano

Cuestionario final del banco

Conoce el banco

Fuentes

En el banco

Tareas prácticas

Haz pulsar el motor sin delay()

Comprobaciones

Arranque suave

Comprobaciones

Mando de velocidad

Comprobaciones

Botón conmutador con antirrebote

Comprobaciones

Interruptor de motor con transistor

El banco

Monta y avería

Deja la Nano en la PCB desnuda

Colocación automática de las piezas SMD, y luego reflujo

Coloca las dos tiras de 15 pines

Suelda los pines de las tiras

Coloca el TIP120 y su resistencia de base

Coloca el motor y el diodo de protección

Conecta la batería y la tierra común

Conecta el USB

Carga PWM 50 %

Mide la ganancia

Desconéctala y abre la vista despiezada

Averíalo: quita el diodo de protecciónAveríala

Averíalo: coloca el diodo al revésAveríala

Averíalo: pon el TIP120 al revésAveríala

Averíalo: olvida la tierra comúnAveríala

Averíalo: quita la resistencia de baseAveríala

Averíalo: conecta el motor directamente al pin 9Averíala