Contador de 3 digitos en un chip : El Cmos 4553

El 4553 es un contador Cmos BCD de 3 dígitos que puede alimentar a tres displays de 7 segmentos usando un solo decodificador/driver de siete segmentos : el 4511 , multiplexándolos (es decir accionando a cada display individualmente vía su cátodo a una velocidad muy rápida, de tal manera que la multiplexación no sea visible al ojo humano).
El IC 4553 tiene tres contadores BCD internos , tiene entrada de lacht o crreojo , de reset o puesta a cero y de inhabilitaciòn , completa un ciclo de multiplexado con cada uno de estos contadores usando las salidas de los pines 15 , 1 y 2 para conmutar cada exhibición en anillo , haciendo que su transistor correspondiente conduzca y habilite al correspondiente display mostrando el dígito apropiado .
Las salidas BCD del 4553 (pines 9 ,7 ,6 ,5 ) se conectan a las entradas BCD del decoder 4511 , este es un decoder Cmos simple que será usado secuencialmente para cada cuenta y para excitar ( cuando le corresponda ) a cada uno de los displays , que por el hecho de actuar temporalmente habilitados usan solo 7 resistencias de limitación.
Los displays deben ser de cátodo común , los pulsos de disparo son positivos y el clock o tren de pulsos a contar debe entrar por el pin 12 , si quisieramos un acarreo para un segundo contador el pin de carry o carreo es el número 14 , con lo cual podemos tener contadores de 6 digitos solo con 4 chips , ideales para construir , por ejemplo , un frecuencimetro digital

Puente en H con transistores

Este es un puente H que usa transistores bipolares . Un puente H es un arreglo de transistores que permite un pleno control del circuito sobre un motor eléctrico estándar de C.C. Es decir, con un puente H un microcontrolador, una poco de lógica, o un transmisor de radio con su receptor se ordena electrónicamente al motor que vaya adelante, al revés o que frene.
Este H-puente puede funcionar desde una fuente de energía desde hasta sólo dos casi-agotadas baterías AAA' (2.2V) hasta una batería fresca 9V (9.6V). Los transistores son los populares(2N3904/2N3906 contra 2N2222A/2N2907A ) usando un motor común pequeño.
Q2, Q4 son transistores PNP y conectan el motor con +2.2V con +9.6 V (terminal positivo de la batería). Los resistores R1-R4 evitan que demasiada corriente pase a través de la base (etiquetada B) del transistor. El valor del resistor de 1 kilohm (1000 ohmios) fue elegido para proporcionar bastante corriente para saturar el transistor.
Una resistencia más alta consumiria menos energía, pero haria al motor recibir menos energía. Los diodos D1-D4 proporcionan una trayectoria segura para que la energía del motor sea dispersada o vuelta a la batería cuando se ordena al motor que arranque o pare desviando los transistorios.
En muchos circuitos de puente H no traen estos diodos , sin los diodos, un impulso de voltaje del motor puede pasar a través de los transistores desprotegidos, dañándolos o destruyendo.
M1 es un motor continuo (C.C.). Éstos son muy comunes se pueden encontrar en juguetes descartados. El motor debe tener solamente dos terminales.
Esta es la teoria básica pero el control real no es tan sencillo hay condiciones que no se deben emplear para esto se emplean circuitos de control excluyentes como los siguientes:

Se llaman puentes H por la forma que tiene el esquema, cuatro transistores y un motor en el medio formando una H.
Funciona de la siguiente forma: si aplicamos un "0" en la entrada 1 y un "1" en la entrada dos la corriente fluirá desde el transitor Q1 hacia el Q4 polarizando el motor y haciendolo girar. Si lo hacemos al revés (un "1" en la entrada dos y un "1" en la entrada "0) la corriente irá desde el transitor Q2 arrina a la derecha hacia el Q3 polarizando el motor al revés que antes y por lo tanto haciéndolo girar en sentido contrario , ¿que pasa si ponemos dos "ceros" en las entradas? en este caso el motor no está polarizado y se queda en modo "libre", es decir, lo podemos hacer girar con la mano en cualquier sentido. Si ponemos dos "unos" el motor se queda "bloqueado" no lo podemos mover con la mano en ningún sentido de giro. En la tabla siguiente tenemos las cuatro posibles combinaciones de las entradas de un puente H.
Entrada 1 Entrada 2 Estado del motor
0.......... 0.......... Libre
0.......... 1.......... Sentido 1
1.......... 0.......... Sentido 2
1.......... 1.......... Bloqueado

Controlando el giro de los motores por puente H

Para controlar el giro de los motores DC en la implementación de la parte movil de un robot sea como seguidor , robot de laberinto o robots de combate necesitamos un puente de funcionamiento similar al puente rectificador de diodos de onda completa para convertir onda alterna a onda unipolar .
En este caso se presenta un sencillo circuito de control de potencia que con ordenes lógicas en sus entradas puede detener o hacer girar un motor y tambien ordenar su movimiento en reversa , esto se consigue mediante una combinación de 2 bits en la entrada.
El integrado L293D de 16 pines incluye cuatro circuitos para manejar cargas de potencia media, en especial pequeños motores y cargas inductivas, con la capacidad de controlar corriente hasta 600 mA en cada circuito y una tensión entre 4,5 V a 36 V.
Los circuitos individuales se pueden usar de manera independiente para controlar cargas de todo tipo y, en el caso de ser motores, manejar un único sentido de giro. Pero además, cualquiera de estos cuatro circuitos sirve para configurar la mitad de un puente H.
El integrado permite formar, entonces, dos puentes H completos, con los que se puede realizar el manejo de dos motores. En este caso el manejo será bidireccional, con frenado rápido y con posibilidad de implementar fácilmente el control de velocidad.

Las salidas tienen un diseño que permite el manejo directo de cargas inductivas tales como relés, solenoides, motores de corriente continua y motores por pasos, ya que incorpora internamente los diodos de protección de contracorriente para cargas inductivas.

Las entradas son compatibles con niveles de lógica TTL. Para lograr esto, incluso cuando se manejen motores de voltajes no compatibles con los niveles TTL, el chip tiene patas de alimentación separadas para la lógica (VCC2, que debe ser de 5V) y para la alimentación de la carga (VCC1, que puede ser entre 4,5V y 36V).
Aquí tenemos un ejemplo de circuito en forma de puente H (para control bidireccional del motor) y su tabla de manejo :


Para proveer un disipador las patas centrales de la cápsula del chip están pensadas para proveer el contacto térmico con un dispador que permitirá lograr la potencia máxima en el manejo del integrado. En la figuras que siguen se observa la distribución de pines afectados a esta disipación, el área de cobre que se deja en el circuito impreso por debajo y a los lados del chip, y el diseño del disipador que propone el fabricante. La hoja de datos aporta una curva que permite una variación de estos tamaños según la potencia a manejar.

Usando el dual opam 747

En la izquierda tenemos el dual opam LM747 de 14 patas , en este circuito un poco antiguo ya , se tienen 2 opam 741 , notar que las alimentaciones positivas para cada opams vienen separadas en caso de querer usar solo uno de los circuitos y no tener "encendido" en vano el otro , como todo opams , viene preparado para trabajar con fuente simetrica positiva y negativa , la entrada negativa -V es el pin 4 común a ambos opams , en caso de trabajar con fuente simple esta pata 4 se va a tierra del circuito y se crea una tierra virtual poniendo un divisor de tension en la entrada de los pines + de ambos opams .
En la siguuiente figura el circuito seguidor de linea negra se ha adaptado para ser implementado usando los opams del LM747 como comparadores

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En el caso de no encontrar el dual opam 747 se pueden usar dos operacionales 741 simples .Aquí el diagrama se ha modificado para usar los 741 como comparadores:

Caracteristicas de un motor para su aplicación en proyectos

Un motor tiene numerosas especificaciones, el significado y el propósito de algunas de ellas es obvio en otras no es asi. A continuación analizaremos algunas de ellas como el voltaje, la corriente absorbida, la velocidad y el torque, además se vera la relación que tienen estas magnitudes con el diseño del robot.

Voltaje : Todos los motores tienen un valor de voltaje de operación, con motores pequeños de CD a menudo este valor esta por los 1.5 a 6 V, algunos motores de CD de alta calidad son diseñados para un voltaje especifico que normalmente es de 12 V o 24 V, el tipo de motor que mas interesa en el diseño de robots son los de bajo voltaje, normalmente este va de 1,5 V a 12 V.

Un motor puede funcionar a voltajes mayores o menores que el especificado, lo único es que, si por ejemplo, tenemos un motor de 12 V y se le aplica 8 V , el motor correrá pero no a la velocidad y potencia para la cual fue diseñado, similarmente si se opera con valores superiores como 16 V el motor correrá con mayor velocidad y potencia, este ultimo fenómeno no es muy recomendable ya que puede causar que los bobinados se sobrecalienten y se origine un daño permanente en el motor.

Corriente absorbida : Esta magnitud corresponde a la cantidad de corriente en mA o A, que el motor requiere de la fuente de poder, esta especificación debe tomarse muy en cuenta cuando se considera el motor con carga. Esto quiere decir que si se tiene un motor sin carga se absorberá una determinada cantidad de corriente, pero si a este mismo motor se le aplica una carga esta corriente puede pasar a valores superiores del 300% o 500% de su valor sin carga.

Con la mayoría de motores de imán permanente, el cual es el tipo mas popular, la corriente absorbida aumenta con la carga. Cuando se manejan motores para un robot debe conocerse siempre el valor de la corriente absorbida bajo carga, la forma de probar efectivamente este valor es con un voltímetro el cual debe colocarse a una resistencia de prueba colocada entre un terminal de entrada del motor y la fuente de alimentación del motor, el valor de esta resistencia debe estar en el rango de 1 a 10 W (de 10 watts) y por medio de la ley de ohm, dividir el valor de la tensión obtenida entre el valor de R, este valor de corriente absorbida normalmente esta entre 200 y 400 mA.
Prueba para determinar el valor de la corriente absorbida en un motor , como la resistencia es de un ohm y el votaje es V=I R en el voltimetro se leera directamente la corriente que circula por el motor.


Velocidad : La velocidad rotacional de un motor esta dada en revoluciones por minuto (rpm), la mayoría de motores de CD tienen una velocidad normal de operación de 4000 a 7000 rpm, para aplicaciones en la robótica estas velocidades son muy grandes, es por eso que se recurre a circuitos electrónicos para poder regular esta velocidad a valores adecuados para el manejo de brazos y pinzas en un robot, cabe destacar que la velocidad de un motor cuando tiene una carga se reduce considerablemente, usando cierto tipo de controladores de motores estro se puede corregir, como se muestra en la figura:
Variación de la velocidad del motor con la carga.

En los motores de pasos la velocidad no esta dada en rpm sino que se da en pulsos ( o pasos ) por segundo, esta velocidad es función del numero de pasos requeridos para que se de una vuelta completa mas el numero de pasos aplicados al motor cada segundo.


Torque : Esta especificación consiste en la fuerza que el motor ejerce sobre la carga, si se reduce el torque el motor reducirá su potencia, si se reduce aun mas el motor demandara aun mas potencia de la normal, y se podrá dar un calentamiento que podrá ocasionar el daño del motor. Algunas veces el fabricante le facilita al usuario una gráfica en la que se detalla el torque en función de la velocidad, con carga y sin ella, la figura siguiente lo describe.

Variación del torque con la velocidad del motor.

Motores para pequeños proyectos

Los motores son los responsables del desplazamiento del robot. Uniendo un par de motores individualmente a un par de ruedas y este podrá movilizarse por alguna superficie. Uniendo un motor a un brazo mecánico, este podrá moverse hacia arriba o hacia abajo. Existen muchas clases de motores ,más o menos intentamos describirlos.
La fuente de voltaje continua como pilas y baterias y por tanto la corriente directa (CD) es usada como la principal fuente de poder del robot ya que son los encargados de operar las diversas tarjetas que constituyen al robot, operan también la apertura y cierre de los solenoides y por supuesto producen que se de el giro en los motores. Pocos robots usan motores diseñados para operar con AC,generalmente los de uso industrial , en algunos casos se usan sistemas que convierten la AC en CD para que esta ultima sea distribuida en los subsistemas del robot.
El motor de CD puede ser una buena elección a la hora de diseñar un robot, pero esto no quiere decir que sea la mejor opción en el diseño, se debe tener en cuenta también que el motor sea bidireccional es decir que pueda ser capaz de girar en uno u otro sentido , ya que son muy pocas las aplicaciones en las que se usan motores unidireccionales.

Los motores de CD pueden ser continuos o de pasos, en los continuos el eje tiene un movimiento continuo el cual solo puede ser detenido por desconectar la fuente de alimentación o por la colocación de una carga superior a la que puede manejar el motor en condiciones para las que fue hecho. Hay varios tipos de motores continuos, los de reluctancia variable, los de imán permanente y los híbridos, el mas usado en el área de la robótica son los de imán permanente.
Los motores de pasos poseen las característica de que pueden girar un determinado numero de grados por cada pulso eléctrico que se aplique a su unida de control. Los tamaños pueden ir desde menos de un grado hasta 15º o mas, una ventaja que posee este tipo de motores es su compatibilidad con los sistemas electrónicos digitales de esta manera se facilita lo que corresponde al control y manejo de esta clase de motores, los motores de pasos de imán permanente son los mas comunes y fáciles de usar.

Detector de proximidad por infrarrojos

Podemos implementar un sencillo detector de proximidad por infrarrojo para un carrito robot seguidor de linea o buscador de salida en un laberinto.
Se genera una ráfaga de pulsos con el LM555 a baja frecuencia y los transmitimos por el led infrarrojo de alta intensidad. En la figura vemos el conocido 555 en su configuración oscilador con su salida excitando al led transmisor.

Luego los recibimos en un fototransistor colocado de tal manera que solo los reciba cuando un objeto refleje los pulsos. De allí un par de transistores en configuración Darlington amplifican la señal de entrada para conseguir un pulso de bajada que dispare al monostable.
Luego procesamos esa señal para poder utilizarla en lo que deseamos , por ejemplo hacer una curva y regresar a la linea delantera para evadir obstaculos en un seguidor de linea ,tambien conmutar el giro de los motores para hacerlos retroceder antes de chocar ante una pared.
Cuando esta débil señal alcanza una intensidad suficiente, debido a que se acercó un objeto, entonces logra disparar un temporizador de unos 10 segundos construido con un LM555.Luego colocamos una interfase a transistor para alimentar un relé el cual nos servirá para controlar la secuencia que queramos.
Una posible implementacion del emisor receptor es la siguiente:

Carrito seguidor con 2 motorcitos de juguete

En la figura podemos ver como implementar la parte mecánica de un carrito para hacer un seguidor de luz , estamos usando 2 motorcitos tomados de juguetes usados dispuestos en forma independiente para cada rueda posterior , estos motores pueden funcionar desde 1.5 v hasta 4,5 voltios sin mayor problema ,más aún cuando se le dá un funcionamiento intermitente.
Como sabemos el circuito electrónico de control actua de acuerdo a lo que determine las celdas fotoelectricas o un par de optoacopladores en la parte delantera , estos deben seguir una linea , blanca o negra según sea el circuito .En un estado ideal , si la linea a seguir fuera blanca , cuando los dos sensores ven "negro" los dos motores funcionan y el carrito avanza en linea recta , pero al encontrar una curva , un sensor "ve" negro y el otro blanco , entonces el sensor que ve blanco apaga su correspondiente motor para que el carrito tome una curva e intente seguir la linea en el sentido deseado

Sensores para Robótica

Los sensores constituyen el sistema de percepción del robot. Esto es, facilitan la información del mundo real para que los robots la interpreten.
Los más utilizados son:
Sensor de proximidad: Detecta la presencia de un objeto de tipo metálico o de otro tipo.

Sensor de Temperatura: Capta la temperatura del ambiente, de un objeto o de un punto determinado.

Sensores magnéticos (brújula digital): Capta la variación de campos magnéticos. Entre sus aplicaciones está la orientación de robots autónomos, exploradores, etc.

Sensores táctiles, piel robótica: Sirven para detectar la forma y el tamaño de los objetos que el robot manipula. La piel robótica se trata de un conjunto de sensores de presión montados sobre una superficie flexible.

Sensores de iluminación: Capta la intensidad luminosa, el color de los objetos, etc. Es muy útil para la identificación de objetos. Es parte de la visión artificial y en numerosas ocasiones son cámaras.

Sensores de velocidad, de vibración (Acelerómetro) y de inclinación: Se emplean para determinar la velocidad de actuación de las distintas partes móviles del propio robot o cuando se produce una vibración. También se detecta la inclinación a la que se encuentra con respecto a la gravedad el robot o una parte de él.El acelerometro, de eje duplo capaz de medir la aceleración dinámica (vibración) y la aceleración estática (gravedad) con un rango de ±2 g.

Sensores de presión: Permiten controlar la presión que ejerce la mano del robot al coger un objeto.

Sensores de sonido: Se trata de un micrófono con el que poder oír los sonidos.

Microinterruptores: Se trata de múltiples interruptores y finales de carrera muy utilizados.

Robótica : Motores Servo

Una de las palabras más encontradas por los recien iniciados en Robótica es la palabra Servo , muchas veces obviando a que se refiere a un tipo de motor.
Entonces vendría la pregunta : ¿ qué es un servo?
Un servo es un pequeño motor asociado a otros dispositivos que tiene un eje de salida. Este eje puede estar situado en posiciones angulares exactas mediante el envío de una señal codificada. Mientras la señal codificada existe en la línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del eje. Cuando la señal codificada cambie, la posición angular del eje tambien lo hará.
En la práctica, los servos se utilizan en los aviones de radio control manejando posiciones como las de los elevadores y timones. También se utilizan en los coches de radio control y por supuesto, robots.

Apariencia de un motor servo Futaba S-148

Los servos son sumamente útiles en robótica. Los motores son pequeños, como se puede ver por la imagen de arriba, se han construido con los circuitos de control, y son extremadamente potentes para su tamaño . Un servo estándar tales como la Futaba S-148 tiene 42 oz / pulgadas de torque o par mecánico, que es bastante fuerte para su tamaño. También la potencia es proporcional a la carga.
Un servo motor desmontado se muestra en la imagen siguiente se pueden ver los circuitos de control, el motor, un conjunto de engranajes reductores, y el casco. También se pueden ver los 3 cables que lo conectan con el mundo exterior.Estos son la tensión de alimentación (+5 V), tierra o 0 voltios, y el cable blanco que es el alambre de control.

Entonces, ¿cómo trabaja un servo ? El servo motor tiene algunos circuitos de control y un potenciómetro que está conectado mecanicamente a la salida del eje. Esto permite a los circuitos de control supervisar el ángulo actual del servo motor. Si se encuentra en el ángulo correcto, entonces el motor se apaga.. Si el circuito encuentra que el ángulo no es correcto, hace que el motor gire a la dirección correcta hasta encontrar el punto correcto. El eje de salida del servo es capaz de girar alrededor de 180 grados esto es la norma aunque algunos llegan a girar 210 grados.
Un servo normal se utiliza para controlar un movimiento angular de entre 0 y 180 grados. Un servo normal no es mecánicamente capaz de desplazarse más lejos debido a una traba mecánica construida en la salida principal de los engranajes.
La cantidad de energía aplicada al motor es proporcional a la distancia que necesita para viajar.Por lo tanto, si el árbol ( parte mecanica movida por el eje ) necesita su vez una gran distancia, el motor funcionará a toda velocidad. Si es necesario sólo una pequeña cantidad, el motor funcionará a una velocidad más lenta. Esto se llama control proporcional.
¿Cómo comunicar el ángulo en el que el servo se encuentra? El cable de control se utiliza para comunicar el ángulo. El ángulo es determinado por la duración de un pulso que se aplica al alambre de control . Esto se llama modulación de pulsos codificados. El servo espera ver un pulso cada 20 milisegundos (.02 segundos). La duración del pulso determinará hasta qué punto el motor gira.
Un pulso de 1,5 milisegundos, por ejemplo, hará que el motor gire a la posición de 90 grados (a menudo llamado la posición neutra). Si el pulso es de menos de 1,5 ms, entonces el motor llevará su posición a cerca de 0 grados. Si el pulso es más largo que 1.5 ms, el eje gira a 180 grados.

Como se puede ver en la imagen, la duración del pulso determina el ángulo del eje de salida (que se muestra como el círculo verde con la flecha).Tenga en cuenta que los tiempos aquí son ilustrativos, y los tiempos reales dependen de la fabricante de motor. El principio, sin embargo, es el mismo.