Circuiteria principal
Ultima actualización: 16/12/2009

El puerto paralelo es el que permite manipular los motores a pasos en cualquier variable deseada como velocidad, posición y dirección. A pesar de que se dan pequeños errores en este proceso, por lo general y como ejemplo, si se han enviado instrucciones para que el motor se mueva 500 posiciones esto es lo que sucede en la realidad, por lo que los codificadores que reportan la posición real del motor al PC son opcionales y solo necesarios si se desea mover el telescopio manualmente.

 

El puerto paralelo de la PC maneja señales de corriente alterna de 5V con tan baja potencia que es necesaria dicha circuiteria para manejar la alta potencia requerida por los motores a pasos.

Debido a esto es necesario adquirir una placa de baquelita perforada de buen tamaño para trabajar cómodamente con los componentes necesarios para manejar 2 motores.

 

Casi todas las secciones del circuito son necesarias por alguna razón, así que no es posible simplificarlo más sin meterse en problemas de algún tipo, sin embargo pueden omitirse algunas.

 

  • Puerto paralelo
  • Circuito de monitoreo (opcional)
  • Circuito de aislamiento
  • Circuito de corrección
  • Circuito de potencia
  • Circuito regulador de voltaje
  • Circuito limitador de corriente (opcional *)
  • Fuente de poder

*Si se usan motores de baja resistencia (2 Ohm o poco menos por fase) y @ 12V se puede, en la mayoria de los casos, obviar el circuito limitador de corriente sin comprometer mucho la funcionalidad del sistema.

En este caso la circuitería a utilizar sería la siguiente:

En cualquiera de ambos casos siempre es necesario verificar que cuando el sistema no se esté usando, los motores queden desenergizados ya que si estos y las salidas del puerto paralelo estan encendidos de forma continua el motor se dañaria con el tiempo por sobrecalentamiento. Esta situación se agravia cuando todas las salidas del puerto paralelo quedan encendidas a la vez, lo cual es muy probable si se utiliza Windows en la computadora que maneja los motores ya que no se puede saber si las salidas del puerto paralelo quedarán encendidas o no, de ahi obtemos una razon más para utilizar el circuito de monitoreo.

 

 Una tercera opción (YA PROBADA) la constituye el uso del integrado L298N el cual presenta bastantes ventajas en el montage:

 

Esta ultima circuiteria usada conjuntamente con motores bipolares ES compatible con el sistema de Mel Bartels cambiando simplemente el orden de los cables. Con esto tenemos un circuito que es compatible tanto con motores unipolares como con motores bipolares!!!

 

Circuiteria avanzada (saltarse todo esto!)

 

Debido a que un motor hibrido (5 o mas hilos) es capaz de funcionar como unipolar y como bipolar se vuelve recomendable usarlo en el modo bipolar ya que se optiene mayor torque a una misma corriente y adicionalmente ya no es necesario utilizar el o los cables comunes del motor.

Adicionalmente cabe destacar que esta informacion es consecuencia de estudios de terceros y no ha sido probada por el mismo Mel Bartels, lo cual cabe indicar NO es necesario ya que varios lo hemos comprobado, adicionalmente Mel parece no estar interesado en el asunto ya que no lo considera necesario.

Todo lo anterior ha sido posible gracias a las bondades del L298.

 

Existen opiniones encontradas de si se debe encapsular dicha placa en una caja o si se debe alojar dentro de algún espacio libre en del cuerpo del telescopio.

En este caso usaremos la primera opción, utilizando una antigua caja de hub coaxial IBM, también existen cajas de proyecto en las electrónicas que pueden ser adquiridas para este efecto, en la actualidad RadioShack parece ser la única con stock de este tipo de suministros. Como ya se ha de apreciar aquí los gastos dependen de cuanta “basura” tengas guardada en casa J.

En Internet es difícil encontrar diagramas de motorización que incluyan todos los requisitos mínimos y sean lo suficientemente simples como para fabricarlos en Costa Rica. Muchos incluyen componentes que no existen aquí. Otros se vuelven demasiado complicados para realizarlos dado el nivel de quienes los desarrollan.

El diagrama usado nivela requerimientos con simplicidad para un solo motor.

 

Puerto paralelo

El puerto paralelo estándar actual, según la figura consta de 12 pines de salida (azules), 5 de entrada (rojos)  y 8 de conexión a tierra o masa (verdes), no debe confundirse esta tierra con la de la circuiteria principal. Por denominación general la primer salida se encuentra en el pin 2 del puerto y la número 8 en el pin 9. Es a estos pines donde se conectarán los motores principales de altitud y/o azimut o en el caso de monturas ecuatoriales y split-ring los de ascensión y declinación.

Nótese como en el diagrama principal las salidas 3, 4 y la 7,8 están por decirlo así invertidas, esto es debido al orden de alimentación de las bobinas del motor explicado anteriormente en la sección de motores a pasos.

El segundo motor se conecta a las salidas 6,8, 7 y 9 del puerto paralelo.

 

Lo primero que debe hacerse es conseguir un cable paralelo de extensión para poder trabajar tranquilamente desde el frente de la misma como el mostrado en la foto.

 

Seguidamente se debe adquirir un conector DB25F (M=”Male” o macho y F=”Female” o hembra) para comenzar con la circuiteria. Los pines se identifican fácilmente como se aprecia en la foto de la parte trasera del conector. Los diagramas se han organizado de manera que representen dicha orientación. El conector incluye unas pequeñas bandejas para recibir los cables de conexión a la circuiteria principal para facilitar la soldadura.

 

Es recomendable el uso de una faja de datos standard para PC como cable de conexión entre el conector DB25F y la placa principal. Para pelar estos cables es más recomendable usar el cautil para derretir el extremo a exponer ya que usar un cutter podría dañar los cables debido a lo delgado de los mismos. El uso de una faja para floppy y la extracción de un conector macho a partir de una vieja unidad de floppy es una muy buena idea para darle más presentación al proyecto y no soldar los cables directo del DB25F a la placa que contiene la circuiteria principal. Esto permite dar mantenimiento posteriormente en forma más cómoda.

 

En mi caso usare un conector de 20 pines más compacto que obtuve de una antigua PCB.

 

 

Circuito de aislamiento

 

Debido a que se han dado algunos casos desagradables se ha decidido incluir una etapa de aislamiento para el puerto paralelo de manera que este no reciba altos voltajes que puedan dañarlo por accidente.

Para tal efecto se aplican dispositivos llamados optoacopladores que se encargan de aislar totalmente a nivel eléctrico el puerto paralelo de la circuiteria principal del telescopio.

 

Estos dispositivos cuentan con un diodo emisor de luz (led) infrarrojo del lado de entrada (izquierda) y un opto transistor del lado de la salida (derecha) que se activa al recibir las señales del led. Este opto transistor lo que hace es cerrar un puente para que la corriente eléctrica pueda fluir de acuerdo a las señales de entrada, esta señal será aprovechada para abrir y cerrar la alimentación de cada bobina del motor en la siguiente sección. En la figura se aprecia como existen dos circuitos electricamente separados dentro del chip los cuales se comunican por señales de luz representadas por las 2 pequeñas flechas.

En el diagrama principal los 4 optoacopladores 4N26 se representan con 4 patas aunque en la realidad tengan 6, 2 de los cuales (pines 3 y 6) deben ser doblados hacia dentro del dispositivo para evitar interferir con el resto de las soldaduras, como se muestra a continuación.

 

Existen otros tipos de opto acopladores que serían más apropiados como el NTE3221 que cuentan con hasta 4 opto acopladores en un mismo dispositivo pero son más caros y no se consiguen en el país. El control de los 2 motores y sus 8 bobinas podria realizarce con solo 2 de estos chips lo cual simplificaria mucho el desarrollo de la circuiteria.

 

 

Algunos diseños en la red incluso protegen el puerto paralelo de estos optoacopladores aduciendo que demandan mucha corriente de los mismos y lo podrían dañar, o sea se protege al puerto paralelo de la protección que le brindan los opto acopladores J.

 Muy a mi juicio personal considero que esta protección es innecesaria; en la practica he dejado leds de alta intensidad conectados a salidas del puerto paralelo en forma directa por semanas y nada ha sucedido. Es por esta razón que se han incluido las resistencias de 470W como limitadoras de corriente, lo cual constituye suficiente protección.

 

Circuito de corrección

 

El uso de optoacopladores trae consigo un problema con respecto a la etapa de potencia: estos permiten la salida de corriente eléctrica cuando existe una señal en la entrada, pero cuando esta señal desaparece la salida del opto acoplador simplemente deja de permitir el paso de corriente. Lo anterior no suena tan malo hasta que te das cuanta de que los transistores de potencia NPN usados en la etapa de potencia, basicamente no hacen nada cuando el opto acoplador deja de enviarles señal, lo cual constituye un problema ya que es necesario apagar dichos transistores para que desenergizen adecuadamente las bobinas de los motores.

Una manera de explicarlo es decir que no es lo mismo cortar la corriente eléctrica a la base del transistor NPN que drenar el contenido de la misma a tierra. Solamente cuando se conecta la base del transistor a tierra este deja de conducir.

 

Lo anterior se logra usando compuertas lógicas que convierten esa ausencia de corriente en la salida del optoacoplador en una conexión real a tierra, lo cual permite drenar la base del transistor efectivamente y apagarlo correctamente. Es por eso que he llamado a esta seccion circuito de corrección.

Con ello queda casi explicado que los inversores son dispositivos que brindan únicamente 2 salidas en este caso: +5V o tierra (0V). Hay otra solución más simple para no usar los inversores 74LS04 pero desperdicia energía, genera ciertos retrasos en el circuito y es menos elegante.

 

Circuito de potencia

 

Esta sección constituye el corazon del circuito ya que es donde tiene contacto y control directo sobre las bobinas de los motores.

En la etapa de potencia se usan transistores de alto poder llamados MOSFET con muy buenas prestaciones en comparación con los transistores Darlington TIP120 usados originalmente en el circuito de Mel Bartels. Con los TIP120 es necesario usar disipadores de calor para enfriarlos caso contrario con un MOSFET que es capaz de manejar altas corrientes en forma más eficiente.

 

 

 

 

La siguiente tabla da información sobre las prestaciones de cada tipo de transistor, debe considerarse que en la tabla no se dan datos de calentamiento real en donde los MOSFET superan por mucho a los Darlington.

 

Modelo  Tipo Continuous Drain Current Continuous Drain Current Pulsed Drain Current Power Dissipation
    ID @         TC = 25°C VGS=10V ID @         TC = 100°C VGS=10V IDM PD @       TC = 25°C
A A A              W
IRF1405 MOSFET 169!!! 118!!! 680!!! 330!!!
IRF1010E MOSFET 84! 59! 330! 200!
IRF640 MOSFET 18 11 72 125
IRL530N MOSFET 17 12 60 79
IRF634A MOSFET 8.1 5.1 32 74
TIP120 Darlington 5 ~3 8 65

 

Sabiendo que los transistores MOSFET son NPN entones se entiende porque se conectan a la salida de cada bobina del motor para drenarlas. Si se considera que el circuito limitador de corriente permite solo el paso de menos de 2A entonces se concluye que si un transistor MOSFET F1010E logra disipar sin problemas a 100°C 59A, entonces este no se calentará del todo. Obviamente un MOSFET es mas caro que un Darlington pero creo que vale la pena no tener que enfriarlos.

 

Circuito limitador de corriente

El circuito limitador de corriente es el que evita que los motores se quemen cuando se les aplica más voltage de aquel para el que fueron diseñados y de esta forma lograr altas velocidades para encontrar objetos.

El circuito original de Jean-Charles Vachon disponible en la página de Mel Bartels en teoria permite el paso de menos de 2A para cada motor lo que da como resultado que la fuente de poder debe suministrar algo más de 4A para que todo ande bien.

Personalmente nunca logre que este circuito sobreviviera por más de unos minutos utilizando 24V, luego de un tiempo me canse de quemar componentes y decidi intentar con un circuito que encontre en las hojas tecnicas del regulador de voltage LM338 usado en la fuente de poder de este proyecto.

Con esto me quedo claro que los reguladores variables de voltage como el LM338 también podian ser configurados como reguladores o limitadores de corriente con el uso de una simple resistencia. El problema aparecia cuando se utilizaban micropasos ya que el regulador necesita que la corriente a limitar sea constante, lo cual no se da en este caso.

Luego de un tiempo se me ocurrio agregar un capacitor en paralelo con la resistencia que controla este parámetro para evitar que el voltage de referencia se perdiera en los micropasos y voila! funciono perfectamente!!!, como se ve en el diagrama.

Sin embargo el capacitor no logra corregir del todo el problema ya que en micropasos el consumo sigue siendo reducido en comparación con el translado (slew). Aún asi el resultado es bastante aceptable y solo es necesario disminuir experimentalmente un poco el valor de R1 para compensar el problema.

Además se logran otras ventajas como la autoprotección contra cortocircuito y sobretemperatura propios de estos reguladores, lo cual brinda una gran estabilidad y seguridad al sistema y lo más importante: No quemar más componentes!

En el caso de que el enfriamiento del regulador falle por alguna razón este disminuirá la corriente de salida paulatinamente en vez de quemarse como sucedia con los transistores de poder del circuito de Jean-Charles Vachon.

Más no se puede pedir!

Hasta el momento he encontrado 3 modelos de estos limitadores el LM317 (hasta 1.5A), el LM350 (hasta 3.0A) y el LM338 (hasta 5A) y todos pueden ser configurados como en el diagrama anterior, siendo poco recomendable el LM317 debido a su poca capacidad.

Otro método menos complicado consiste en agregar resistencias de poder en la alimantacion del motor pero no es tan efectivo. Como ejemplo veamos la siguiente tabla de consumos en amperios para un solo

motor de 6V con una resistencia de 2 Ohm por fase, una impedancia total de alrededor de 5 Ohm por fase y conectado a 24V:

Tipo de limitacion de corriente Consumo de 1 motor 
Detenido Medios pasos o translado  Micropasos o seguimiento
Ninguna (alimentacion directa)

5.62

4.00

1.82

Resistencia de poder (10 Ohm)

1.99

1.12

0.71

Circuito limitador

2.10

1.92

1.40

Se aprecia como el no usar limitación de corriente freiria tanto al motor como a una fuente de poder de 5A en la mayoria de los casos.

El uso de resistencias de poder resuelven parcialmente el problema si se usan del tamaño adecuado.  La resistencia de 10 Ohm logra un comportamiento similar al del circuito limitador pero cuando se dan bajos consumos como en el caso del seguimiento, esta reduce tanto la corriente que se veria muy disminuido el torque del motor (0.71 A), lo cual se aprecia fisicamente al tratar de detener el motor con la mano.

Con el uso de un circuito limitador de corriente se logra que la corriente no sobrepase un valor maximo programado y se garantiza un consumo promedio apropiado en toda ocasion, independientemente de la velocidad del mismo.

De lo anterior se concluye que lo optimo es lograr que un motor tenga un consumo cercano a los 1.7A en todo momento con una buena relación de sobrevoltage, con lo cual se logra un buen torque y altas velocidades de desplazamiento. Entonces limitar la corriente no es el objetivo real, sino forzar al motor a permanecer en alto voltage para alcanzar altas velocidades con un consumo de corriente promedio para obtener siempre un alto torque. Si la corriente consumida disminuye mucho el torque también lo hará.

Si se logra lo anterior cuando se acople el motor al telescopio se determinara el voltage minimo apropiado para mover a alta velocidad el telescopio, pero primero hay que garantizar que se obtenga el máximo torque al máximo voltage con que se cuente.

Cabe señalar qe todos estos metodos son correctivos de algun modo ya que limitan el consumo de corriente del motor en vez que evitar que este solicite mas corriente de la aceptable. Existe un metodo preventivo en el consumo de potencia dado por el uso del integrado L6506 el cual aun no he probado personalmente, aqui el link al respecto http://renato.bonosoft.it/Mel/, al parecer esta muerto ese enlace pero guarde alguna info

http://mantsoft.googlepages.com/l6506-l298.gif

 

 

 

Circuito regulador de voltaje 

Cuando haces girar un motor a pasos con la mano puedes notar como se induce corriente en sus bobinas, convirtiendose en un generador, de tal forma que a mayor velocidad mayor voltage inducido, asi que cuando el motor gire en el sistema no solamente consumirá corriente electrica, sino que también la generará en sus bobinas, y según se ha determinado el voltage  generado puede ser de cientos de voltios.

Si bien es cierto que ya el puerto paralelo de la PC ha sido protegido por los optoacopladores, no sucede lo mismo con los componentes de la circuiteria intermedia. Asi que es necesario limitar esos voltages inducidos a valores aceptables, para lograr esto se incluyen diodos zener de 30V que logran muy eficientemente dicho cometido impidiendo que voltages de más de 30V dañen cualquier componente.

 

Fuente de poder 

En cuanto a la fuente de poder a utilizar existen 3 opciones:

A-Baterias (1 para 12V o 2 en serie para 24V)

B-Comprar una fuente de poder de 24V fija o una variable y de al menos 5A.

C-Construirla

He optado por la ultima opción con el siguiente diagrama:

 En este caso se puede variar el voltage y ver como se comportan los motores. Las terminales permiten el uso de una o dos baterias externas de 12V como alimentación alterna.

De esta forma el regulador de voltage LM338 debe colocarse sobre un buen disipador de calor con ventilación forzada, el potenciomentro de 5000 Ohm se coloca con la perilla en la carcaza del proyecto para facil regulacion del voltage, 2 portafuses se pueden ubicar en la parte tracera de la caja del proyecto y debido al espacio que demandan los capacitores pueden ubicarse junto a las lineas de poder.

Como puede apreciarse el diseño tambien permite usar la fuente como cargador para las baterias siempre y cuando se seleccione el voltage y corriente apropiados y desconectando la circuiteria interna. En el caso de baterias de 12V recargables estandard por lo general este voltage es de 13.8V y es recomendable adicionar un circuito limitador de corriente similar al indicado anteriormente que comtemple el ritmo de carga de las baterias.

 

Fotos adicionales del sistema:

 

 

Algunos videos del funcionamiento pueden apreciarse aqui:

http://mantsoft.googlepages.com/2Motors.zip

http://mantsoft.googlepages.com/Slew.zip

http://mantsoft.googlepages.com/track.rar

 

Ir a la página de software