Ir a página principal RADAR DE ULTRASONIDOS PARA MODELISMO RC O ROBÓTICA  En las aplicaciones de modelismo o robótica, a veces es necesario disponer de un sistema de control de altura o de distancia. En concreto puedo citar tres casos: controlar la distancia a una obstáculo de un vehículo automático, la altura de vuelo de un helicóptero de RC, la altura de un dirigible de helio y la distancia al fondo de un submarino. El sistema propuesto es un "radar" de ultrasonidos, capaz de ser preajustado a una cierta distancia, y que pueda actuar sobre un servo en caso de que dicha distancia se supere, o en caso de control inverso, se baje de ella. Ya sé que actualmente existen kits y módulos muy económicos que efectúan estas funciones, pero a menudo necesitan conectarse a placas de microprocesador (que en modelismo sería un problema) y, por otra parte, siempre he preferido desarrollar los circuitos personalmente, porque se adaptan mejor a casos concretos, y porque con su construcción se llegan a entender mucho mejor los principios de funcionamiento. Para efectuar la función propuesta desarrollé una serie de circuitos independientes, con la idea de acoplarlos posteriormente en una sola placa. 1) Circuito Oscilador-Emisor de Ultrasonidos El circuito debe ser capaz de excitar un transductor de ultrasonidos estandar de 40 Kc. En concreto, para estas pruebas he utilizado un pack formado por dos transductores piezoléctricos de la marca Ariston, el SCS-401A como emisor y el SCM-401A como receptor. Los transistores son de tipo corriente de señal PIHER SC107, ya que pese a ser antiguos dispongo de un cierto número de ellos, aunque pueden ser sustituidos por cualquier tipo NPN actual. Y en cuanto a las puertas NAND, son de un CMOS 4093, aprovechando su característica Trigger Schmitt. La primera prueba la realicé utilizando el archiconocido NE 555 como oscilador y una de las cuatro puertas NAND del 4093 para controlar el paso de señal hasta el transductor. El impulso de control es diferenciado por una red condensador-resistencia, cuyo pico positivo activa la entrada 1 de la puerta. En el momento que la salida del 555 activa también la entrada 2, aparece en la salida un breve pico de señal de 40 khz. que ataca directamente en transductor con una señal cuadrada de 5 Vpp. Primer circuito emisor de ultrasonidos  Las formas de onda del circuito se muestran a continuación. Para un valor de C=47Kpf y de R=10Kohm, el tren de impulsos de salida es de unos 7 ciclos. Formas de onda del circuito 1  Variando un poco el circuito se pudo prescindir del NE 555. La disposición mostrada abajo es un oscilador hecho con dos puertas NAND 4093. Utilizando las otras dos disponibles dentro del mismo integrado como push-pull para atacar el transductor, esta vez con una tensión pico a pico de 10 Volts, doble de la anterior, con una potencia de salida 4 veces superior. Observar que en este caso, no hay diferenciador RC para limitar la anchura del tren de impulsos, puesto que me he dado cuenta que en la señal de rebote lo que importa es el flanco frontal, y éste es siempre más consistente con señales de más duración. Segundo circuito emisor de ultrasonidos  Una tercera evolución del circuito oscilador utiliza un transistor del tipo 2SC233, con la salida sintonizada a 40 Khz. mediante un choque de 1mH y la capacidad del propio transductor. En este caso, y siempre con una alimentación de 5 Volts, las señales de salida alcanzan los 40 Vpp, suministrando una potencia 64 veces mayor que el primer circuito. Las características del fabricante especifican que la tensión máxima de funcionamiento del transductor emisor es de 20 volts para señales continuas. Pero en nuestro caso, con trenes de impulsos que pueden variar entre 0,5 y 2 milisegundos, de cada 20, es decir, con un tiempo de funcionamiento máximo de sólo el 10% del total, no hay inconveniente en subir la tensión hasta el valor antes citado. Tercer circuito emisor de ultrasonidos (definitivo)  2) Circuito Receptor de Ultrasonidos El receptor tiene la misión de amplificar y detectar los ecos ultrasónicos rebotados por el suelo o los objetos frontales. El primer circuito ensayado estaba formado por un primer paso amplificador sintonizado a 40 Khz de altísima ganancia en tensión (150 veces), seguido de un segundo paso de configuración clásica y un detector-doblador con diodos de germanio. Este receptor dispone de un control automático de ganancia formado por el último transistor, cuya salida ataca un filtro en forma de T, constituido por dos condensadores de 1Kpf y un transistor actuando como resistencia atenuadora variable. La salida real del circuito, que es la envolvente de la señal recibida, se conectará al módulo denominado "Detector de Intervalo", que explicaremos más adelante. Primer circuito receptor de ultrasonidos  El segundo circuito receptor es mucho más sencillo que el anterior, ya que durante las pruebas, y por el hecho de utilizar el transmisor más potente, un segundo paso amplificador se reveló innecesario, así como el control automático de ganancia, puesto que al trabajar con flancos de subida, la posible distorsión que se produzca a causa de la saturación de primer paso receptor, no es importante. Segundo circuito receptor de ultrasonidos (definitivo)  3) Circuito Detector de Intervalo Este circuito es de gran importancia para el montaje, ya que partiendo del flanco de subida del impulso de mando (que detecta mediante la red C-R de entrada de 680 pf y la resistencia de 100 K ohms), y la señal de procedente del receptor, que estará desfasada en el tiempo con la anterior proporcionalmente a lo que haya tardado el eco en ir y volver, nos proporciona una salida de nivel de continua igualmente proporcional a este tiempo. Esto se consigue mediante un biestable construido con dos puertas NAND 4093, que es llevado a nivel 1 por el flanco de subida del impulso de control, y es puesto de nuevo a 0 por la señal del receptor. El tiempo que el biestable estará en 1 será por lo tanto el que tarde el eco en ir y volver. A continuación, el doble filtro RC de salida con valores de 10 K ohms y 100 microfaradios, convertirán estos impulsos de duración variable en el nivel de continua necesario para activar el siguiente módulo. Circuito del detector de Intervalo  4) Circuito Modulador de Impulsos de Telemando Éste fue sin duda el circuito que me dio más quebraderos de cabeza, ya que su misión era la de "modular en tiempo" el impulso de control de telemando, que será el que controle el servo final. Después de varias pruebas infructuosas, por fin di con una configuración muy sencilla pero funcional. Este circuito básico es capaz de crear una modulación positiva o negativa (dependiendo de la posición de los conmutadores). Es decir, puede alargar o acortar en un cierto porcentaje el impulso de entrada. El funcionamiento es el siguiente: a) Los impulsos de entrada aparecen en A. b) En caso de querer producir una modulación negativa, sólo actuaremos sobre en interruptor 1, dejando siempre el 2 abierto. En B podemos observar la diferencia de tensiones del punto B, dependiendo de si en interruptor 1 está abierto (posiciones 1, 4 y 5) o cerrado (2 y 3). En el primer caso, las tensiones de las dos entradas del primer NAND son las mismas a lo largo del tiempo, y por lo tanto los impulsos invertidos de C serán iguales a los de entrada y la segunda puerta NAND actuará sólo como inversor, restituyendo en la salida los impulsos positivos. En el caso de que el interruptor 1 esté cerrado, la constante formada por R1 y C1 producirá un "retraso" de subida del valor de la tensión en la entrada B, con lo que el impulso de salida de esta puerta será de menor duración que la entrada. Esta secuencia la podemos observar en la salida E, en que los impulsos que no experimentan variación están marcado en rojo y los modulados negativamente en verde. Circuito modulador de impulsos de telemando  c) En caso de querer producir una modulación positiva, actuaremos en cambio sólo sobre en interruptor 2, dejando siempre el 1 abierto. En D podemos observar la diferencia de tensiones del punto D, dependiendo de si en interruptor 2 está abierto (posiciones 1, 4 y 5) o cerrado (2 y 3). En el primer caso, las tensiones de las dos entradas del segundo NAND son las mismas a lo largo del tiempo, y por lo tanto los impulsos invertidos de E serán iguales a los de entrada. En el caso de que el interruptor 2 esté cerrado, la constante formada por R2 y C2 producirá un "retraso" de subida del valor de la tensión en la entrada D, con lo que el impulso de salida de esta puerta será de mayor duración que la entrada. Esta secuencia la podemos observar en la salida E de la parte inferior del gráfico, en que los impulsos que no experimentan variación están marcado en rojo y los modulados positivamente en azul. En resumen, observamos que la variación la negativa se efectúa a partir del flanco de entrada de la señal de mando, y la positiva a partir del de salida. Son por lo tanto una resta y una suma a la señal original, que con independencia de su duración previa, quedará disminuida o aumentada en consecuencia. Bien, después de construir un circuito provisional sobre una placa de CI estándar y comprobar que cumple con las predicciones teóricas, pasaremos a evaluar las 4 necesidades básicas que podemos tener: - I) Controlar una altura o distancia máxima, y producir modulación negativa cuando se supere. - II) Controlar una altura o distancia máxima, y producir modulación positiva cuando se supere. - III) Controlar una altura o distancia mínima, y producir modulación negativa cuando se baje de ella. - IV) Controlar una altura o distancia mínima, y producir modulación positiva cuando se baje de ella. El circuito definitivo para conseguir estas opciones, queda entonces así: Circuito definitivo del modulador de impulsos de telemando  El nivel de tensión continua procedente del detector de intervalo pasa a través de una resistencia variable de 100 k, que permite establecer a qué altura se efectuará el disparo del circuito. Los dos primeros SC107 actúan en realidad como inversores para suministrar señales invertidas al conmutador de ajuste de altura máxima o altura mínima. El tercer transistor actúa como interruptor del condensador de modulación, que en este caso es común para la modulación negativa y positiva, estableciendo la opción mediante otro conmutador. El ajuste de la modulación se efectúa con sendas resistencias variables de 15 Kohms. Una vez montados todos los módulos sobre un mismo circuito impreso, pruebo el dispositivo y observo que funciona perfectamente, pudiendo regular la distancia o altura de activación entre 20 cm. y 2 metros. Permitiendo una modulación de impulsos ajustable entre 0,05 y 0,8 milisegundos, más que suficiente para la corrección del movimiento del servo. 5) Circuito de Filtro de Alimentación Sobre este tema sólo queda comentar el filtro de alimentación, necesario para que los transitorios creados por los servos no afecten a nuestro circuito: Circuito de filtro de alimentación  Vista ampliada del Radar de Ultrasonidos, listo para funcionar y con un servo conectado  Efecto "Fantasma" Mientras estaba trabajando en el circuito, y comprobaba el comportamiento de las señales de ultrasonidos emitidas y los ecos recibidos, en la pantalla del osciloscopio, pude observar un extraño efecto. A veces la imagen era como la de la parte superior del dibujo. Totalmente correcta. En que se ve la la señal o impulso de origen y lo ecos rebotados por los obstáculos de distintos tamaños y situados a diferentes distancias del emisor. Otras veces, en cambio, me aparecía una perturbación en forma de caótico espectro de ecos variables que no seguían ningún patrón determinado. Una imagen que se movía como los "fantasmas" de efectos especiales de las películas de terror. Algo así como el dibujo de la parte inferior. Dibujo de oscilogramas para visualizar el "Efecto Fantasma"  ... Hasta que pude entender, que tales ecos aleatorios estaban provocados por el aire caliente y turbulento procedente de una estufa de gas butano. Ya que tal fenómeno sólo se manifestaba cuando estaba encendida y los trasductores piezoeléctricos se dirigían hacia ella. Es un efecto curioso provocado sin duda cuando las diferencias térmicas entre distintas zonas de aire crean grandes coeficientes de difracción, que llegan incluso a producir auténticas "reflexiones" como las provocadas por un objeto sólido. Algo parecido ocurre en el mar con las capas de brusca transición térmica, que desvían los haces de los sonares y permiten que un submarino pueda "ocultarse" debajo de una de estas capas, a salvo de ser detectado por los buques de superficie. Pienso que, tal vez, este efecto podría utilizarse en ciertas condiciones para "visualizar" los movimientos de aire frente al observador. Podría ser un buen proyecto para abordar cuando disponga de más tiempo. Ir a página principal
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