Transformador Rotativo (para Propeller Clock)

por Mario 6 febrero, 2011, 7:47 am 20 Votes 62 Comments

¿Cuántos videos has visto donde un motor comienza a girar y de repente comienzan a aparecer textos fijos o en movimiento, gráficos multicolores, y una interesante variedad de presentaciones luminosas hechas con diodos LED? Una de las problemáticas centrales de este atractivo tipo de montajes, siempre estuvo alrededor del método más eficiente para pasar la energía eléctrica hacia la parte móvil, donde se concentraba la placa con el microcontrolador y los LEDs. Seguro has visto desde sistemas mecánicos de contacto entre la parte móvil y la parte fija, hasta transformadores rotativos muy extraños y complejos de construir. Hoy, NeoTeo te acerca una solución que siempre estuvo allí (dentro del motor brushless drum) y que es una de las más sencillas y efectivas de aplicar. Un Transformador Rotativo (Rotary Transformer) que te sorprenderá por su facilidad de de implementación y uso. Un viejo motor brushless sigue dando sorpresas en NeoTeo.

Como te mencionamos en el sumario, la transmisión de la energía desde la parte fija de un sistema del tipo Propeller Clock hacia la parte móvil, o giratoria, ha sido uno de los problemas que se acumulan a la hora de concretar una realización de este tipo de montajes. Los sistemas que utilizan baterías incorporadas en la mencionada parte móvil, necesitan el mantenimiento continuo de la reposición de la unidad de energía o, en el mejor de los casos, su recarga luego de algunas horas de funcionamiento. Este sistema sin dudas es muy útil para aplicaciones móviles o donde no se disponga de suministro energético de red para su uso. Otro sistema que se suele observar en muchos montajes es la aplicación de sistemas mecánicos de rozamiento como si se tratara de un motor brushed. En estos casos, donde la energía se transfiere por medios mecánicos, los problemas de buena y efectiva conducción eléctrica entre partes hace que con el paso del tiempo, la suciedad, el polvo ambiente y los desechos generados por el mismo sistema de rozamiento, mezclados con los agentes de lubricación que todo sistema mecánico con rozamiento debe tener, genera ruidos eléctricos y/o cortes en la efectiva transferencia de energía. Estas complicaciones favorecen problemas muy extraños, difíciles de comprender y por lógica, de solucionar. Antes de continuar, ¿sabes lo que es un Propeller Clock? ¿No? Mira, aquí tienes un ejemplo:

La solución ideal a la transferencia de energía, desde la parte fija del motor hacia la parte móvil, siempre estará girando en torno a algunos principios elementales de funcionamiento que tiendan a optimizar el resultado deseado. Estos puntos destacados deben abarcar la mayor cantidad de potenciales fallas a largo plazo y, de ese modo, enumerar, conocer y descubrir todo lo que pueda llegar a presentar problemas de funcionamiento. Es decir, en este tipo de montajes debemos prestar mucha atención a lo que podríamos llamar “el largo plazo”, “el futuro”. De poco puede servirnos un equipo que funcione un par de días (o semanas en el mejor de los casos) y que en el momento menos esperado (el de la demostración a alguien especial, por supuesto) la acción del tiempo sobre los sistemas “electromecánicos” que hemos creado, dejen de funcionar o lo hagan de un modo espantoso. Con los años, en mi caso, he aprendido a decir: “Que pena que no pueda mostrártelo en funcionamiento, ocurrió un desperfecto que esta semana resolveré” antes que mostrar algo que no funcionará con seguridad por no haberle dado el mantenimiento adecuado en su tiempo justo. Por todo lo que te hemos comentado hasta aquí podemos enaltecer la postura de que no es malo utilizar los mecanismos que a otros le han dado éxito y para eso, nada mejor que desarmar y dar un vistazo al motor brushless drum que hemos utilizado en artículos anteriores.

En la parte derecha – superior de la imagen encontramos el tambor porta-cabezas y vemos una pieza de ferrite (o ferrita) que posee dos bobinados, o lo que también podríamos denominar, dos secciones con bobinados individuales. Estos bobinados corresponden a lo que, en su diseño original, se considera el primario del transformador rotativo encargado de transmitir la información que recogen las cabezas de video hacia los sistemas amplificadores para convertirla en señal útil y, desde allí, recuperar la imagen grabada previamente en la cinta (VHS). Más al centro de la imagen encontramos la otra pieza que completa este transformador rotativo (el bobinado secundario) y que se enfrentará al anterior en una posición muy cercana uno de otro. Por supuesto, la transferencia de energía de un bobinado a otro es óptima y este sistema está diseño para trabajar en frecuencias de hasta un par de Mhz. Por ejemplo, en el sistema PAL de color (en TV y Video) la frecuencia de trabajo de la información de color trabaja a 625Khz. Es decir, no es un transformador convencional de baja frecuencia como tendríamos en la red domiciliaria (50 o 60Hz) sino que está especialmente diseñado para trabajar a altas frecuencias. En el caso de nuestro ejemplo, tenemos un par de bobinados de cada lado por tratarse de un sistema de “dos cabezas” pero los sistemas más elaborados, de mayor calidad, ergo, de mayor cantidad de cabezas, puede lucir de este modo:

Así como analizamos la captura y reproducción de la información, almacenada en una cinta (VHS) podemos pensar también en la posibilidad que siempre nos han ofrecido estos equipos de “grabar” nuestros programas favoritos, o el evento que valiera la pena conservar para la posteridad (¿tus padres te filmaban cuando eras un niño?). Con esta deducción entonces, pasamos a interpretar de manera práctica que la señal puede pasar desde un bobinado a otro en cualquiera de los dos sentidos. Es decir, uno en reproducción y otro en grabación. Por lo tanto, aquí tienes un transformador rotativo listo para que le introduzcas en el bobinado del estator una señal de algunas decenas de Khz con un PWM adecuado y luego recuperar esa energía en el rotor rectificándola, filtrándola y regulándola de manera apropiada. ¿Qué te parece la idea? Veamos el desarme del motor nuevamente:

La manera de lograr un PWM para introducir al transformador es lo más sencillo de todo este trabajo sin dejar de ser la parte fundamental y central de este artículo. La opción más sencilla y económica es utilizar un NE555 (o un SX8122) con la configuración que te mostramos en la siguiente imagen. Por supuesto, no todo es tan sencillo (ni tan complicado) y el montaje requiere de algunos cuidados especiales que, siguiéndolos con atención, nos permitirán obtener un sistema útil, sencillo de adoptar, efectivo y funcional. Lo más importante a tener en cuenta es encontrar en los bobinados los extremos de conexiones que nos permitan el acceso a identificar los polos homólogos. Es decir, que podamos “sumar” todos los bobinados de manera correcta para obtener un máximo de transferencia de energía. El mismo criterio cuenta para el primario como para el secundario ya que un error en las conexiones de “nuestros” bobinados restaría amplitud al PWM recuperado y no alcanzaríamos a obtener la tensión y corriente suficientes para energizar un sistema con microcontrolador y LEDs.

Las consideraciones a tener en cuenta con este diagrama son varias. ¿Porque hay que tener muchas consideraciones? Porque no todos los motores son iguales, porque tú puedes conseguir un sistema de más de dos cabezas y la energía recuperada puede ser mayor. Por este mismo motivo la corriente que circulará por lo bobinados del primario será diferente (menor) y quizás necesites reducir el valor de R2 (nunca menor a 10 Ohm), o variar la frecuencia del oscilador generado por el NE555 alterando el valor de C2, o modificar el ciclo de trabajo (duty) del PWM actuando (o modificando el valor) de VR1. Es decir, “mi modelo” es probable que no sea igual a “tu modelo” de circuito porque será poco probable encontrar dos motores exactos e iguales, pero la base del circuito será la misma. Solo tendrás que optimizar el circuito en función de los resultados que obtengas a partir de las características de los bobinados de tu motor brushless drum. D3, Q1 y su conexión no cambiarán en ningún caso, pero sí puede ser necesaria una resistencia limitadora en la entrada de VR2. La práctica te dictará si debes realizar alguna de estas variantes que te hemos indicado, por ejemplo, en lugar de utilizar un LM2940 para obtener 5Volts quizás decidas trabajar con sistemas de 3,3Volts y tu elección sea un convertidor DC-DC de máxima eficiencia para aprovechar al límite la tensión y corriente obtenidas.

La placa final, como pueden ver en la imagen superior, es pequeña y no presentará demasiados problemas de montaje y/o diseño. Recordemos que el resultado final será algo muy importante, pero el corazón del desarrollo no deja de ser un circuito más con un NE555. La misma imagen te muestra que el sistema de anclaje de la placa al cuerpo del estator la hemos realizado con dos trozos pequeños de aluminio sujetos con tornillos para lograr una sujeción firme y confiable. Por último, durante el armado de la placa y los ensayos finales debes tener especial atención en algunos detalles que son muy importantes para un montaje exitoso. El principal es realizar un control con el osciloscopio de la forma de onda que obtienes en el Drain del IRFZ44N y de la temperatura a la que trabaja el bobinado (ahora denominado “primario”). Si te excedes demasiado en la duración del ciclo de trabajo (duty) puedes sobre calentar el bobinado con el peligro que ello representa. Es decir, que la temperatura pueda fundir el esmalte del alambre y que el cobre desnudo comience a entrar en contacto entre espiras. Este inconveniente significará el viaje inevitable a la destrucción del bobinado. Otro de los detalles importantes en la búsqueda de la mayor tensión recuperada en el secundario es cuidar que el ciclo de trabajo del PWM no sea audible. Este fenómeno fue observado en nuestro caso sobre el bobinado móvil. Puede que en tu caso ello no ocurra, pero es bueno estar atento a no generar sonidos audibles que agreguen una cuota de ruido molesto al montaje.

El transistor IRFZ44N no necesita disipador de calor. Si notas que la temperatura de este componente se eleva a un valor fuera de lo normal puede ser porque el diodo volante que has colocado en paralelo con la carga no es de buena calidad, o no es lo suficientemente rápido para el trabajo que debe realizar, o has hecho una mala conexión de los bobinados y estás exigiendo demasiado al transistor. Lo lógico y normal es que no levante temperatura. La alimentación al sistema es de 12Volts y no merece mayores comentarios ya que para ello puedes utilizar cualquier fuente de alimentación o una batería. Lo lógico será que utilices la misma alimentación que impulse el motor brushless drum para su funcionamiento. En el video que te ofrecemos a continuación puedes ver el funcionamiento con el ejemplo de un LED blanco de 10 milímetros. Con algunos inconvenientes técnicos, pero con una salida airosa, te mostramos que la tensión obtenida y recuperada por el “secundario” de nuestro transformador rotativo es de 5,6Volts para este ejemplo con un sistema de sólo 2 cabezas. Vale aclarar que hemos utilizado el tipo de motor que menos posibilidades brinda. Si en tu caso logras acceder a un motor de mayor cantidad de cabezas, como te mencionamos más arriba, obtendrás una mayor tensión en el secundario del motor y eso te permitirá manejar una mayor cantidad de energía útil para tus desarrollos.

Como has podido apreciar, la “magia” del PWM y la versatilidad del NE555 hacen posible una vez más un desarrollo muy sencillo y a la vez muy útil. Además, como comentario final del artículo podemos agregar que ya hemos visto cómo regular la velocidad del motor y ajustarla de manera exacta con un sistema PLL. También terminamos de ver como se transfiere la energía a la parte móvil del motor brushless drum. Ahora nos resta completar este montaje con la construcción mecánica de un sistema similar al que ya hemos visto en un artículo anterior (POV) y que se adapte a este tipo de aplicaciones. ¿Qué ideas cruzan por tu mente? ¿Un reloj? ¿Un sencillo pasa-mensajes (scroll text)?