Caso práctico: Control de motor DC con relé y pulsador

Prototipo de Control de motor DC con relé y pulsador (Maker Style)

Nivel: Básico. Aprenda a aislar una señal de control de baja potencia de un circuito de motor de alta potencia utilizando un relé electromagnético.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirá un circuito que utiliza un pequeño pulsador y un relé para controlar un motor de corriente continua (DC) de alta corriente. El relé actúa como un interruptor electromagnético, permitiendo que el lado de control de baja potencia active el lado de carga de alta potencia sin una conexión eléctrica directa entre los distintos rieles de alimentación (si se utilizan tierras separadas) o simplemente para manejar corrientes que exceden la capacidad nominal del interruptor.

Por qué es útil:
* Sistemas automotrices: Se utiliza en motores de arranque donde un pequeño interruptor de llave de encendido activa un solenoide masivo (relé) para arrancar el motor.
* Automatización industrial: Permite que los PLC de bajo voltaje (24 V) conmuten motores de CA o CC de alto voltaje (110 V/220 V) de forma segura.
* Aislamiento de seguridad: Mantiene los altos voltajes alejados de la interfaz de usuario (botones e interruptores).
* Protección de componentes: Evita quemar interruptores delicados al transferir la conmutación de alta corriente a los contactos del relé.

Resultado esperado:
* Cuando se presiona el pulsador, el relé emite un «clic» audible.
* El motor DC comienza a girar inmediatamente después del clic.
* El voltaje a través de la bobina del relé mide 5 V (o el voltaje de control nominal).
* El diodo flyback protege el interruptor de los picos de alto voltaje cuando se suelta el botón.

Público objetivo y nivel: Estudiantes y aficionados que entiendan la conmutación electromecánica básica (Básico).

Materiales

  • V1: Fuente de voltaje de 5 V DC, función: Fuente de alimentación del circuito de control.
  • V2: Fuente de voltaje de 12 V DC, función: Fuente del circuito del motor (Potencia).
  • S1: Pulsador momentáneo (Normalmente Abierto/NO), función: Interruptor de control.
  • K1: Relé SPDT (Bobina de 5 V), función: Aislamiento electromecánico y conmutación.
  • D1: Diodo 1N4007, función: Diodo flyback/de rueda libre para protección de la bobina.
  • M1: Motor de 12 V DC, función: Carga de alta potencia.

Guía de conexionado

Esta guía utiliza nombres de nodos compatibles con SPICE para definir las conexiones. Los nodos son: V_CTRL (5 V), V_PWR (12 V), COIL_IN, MOTOR_IN, y 0 (Tierra).

  • V1 (Positivo): Se conecta al nodo V_CTRL.
  • V1 (Negativo): Se conecta al nodo 0.
  • V2 (Positivo): Se conecta al nodo V_PWR.
  • V2 (Negativo): Se conecta al nodo 0.
  • S1: Se conecta entre el nodo V_CTRL y el nodo COIL_IN.
  • K1 (Terminal de bobina A): Se conecta al nodo COIL_IN.
  • K1 (Terminal de bobina B): Se conecta al nodo 0.
  • D1 (Cátodo/Lado con franja): Se conecta al nodo COIL_IN.
  • D1 (Ánodo): Se conecta al nodo 0.
  • K1 (Contacto Común/COM): Se conecta al nodo V_PWR.
  • K1 (Contacto Normalmente Abierto/NO): Se conecta al nodo MOTOR_IN.
  • M1 (Positivo): Se conecta al nodo MOTOR_IN.
  • M1 (Negativo): Se conecta al nodo 0.

Nota: En una aplicación física que requiera aislamiento galvánico, la tierra 0 para el lado de control (V1) y el lado de potencia (V2) se mantendrían separadas. Para este modelo de simulación básico, comparten una referencia común.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — Relay-Based Motor Control
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

+---------------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                          DC MOTOR CONTROL WITH RELAY (UNIFIED DIAGRAM)                                  |
+---------------------------------------------------------------------------------------------------------+

      (High Power Loop: 12 V)
      [ V2: 12 V Source ] --(Node: V_PWR)--> [ K1: Relay Switch (COM->NO) ] --(Node: MOTOR_IN)--> [ M1: 12 V Motor ] --> [ GND ]
                                                        ^
                                                        |
                                                 (Magnetic Link)
                                                        |
      (Control Loop: 5 V)                                |
      [ V1: 5 V Source ] --(Node: V_CTRL)--> [ S1: Pushbutton ] --(Node: COIL_IN)--> [ Parallel: K1 Coil || D1 (Rev) ] --> [ GND ]

+---------------------------------------------------------------------------------------------------------+
|  LEGEND & NOTES:                                                                                        |
|  -->  : Signal/Power Flow                                                                               |
|  ||   : Components in Parallel (Coil and Diode share Node COIL_IN and GND)                              |
|  Rev  : Diode D1 is Reverse Biased (Cathode to COIL_IN, Anode to GND) to suppress flyback voltage.      |
|  Link : The current in the Control Loop generates the magnetic field to close the Switch in the Power Loop. |
+---------------------------------------------------------------------------------------------------------+
Esquema Eléctrico

Mediciones y pruebas

Siga estos pasos para validar el ensamblaje de su circuito:

  1. Verificación del voltaje de la bobina:

    • Configure su multímetro en Voltaje DC (rango de 20 V).
    • Conecte las sondas a través de los terminales de la bobina del relé (COIL_IN y 0).
    • Presione S1. La lectura debería saltar de 0 V a aprox. 5 V.

  2. Confirmación audible:

    • Presione y suelte S1. Escuche el «clic» mecánico del movimiento de la armadura del relé. Si no lo escucha, la bobina no se está energizando.

  3. Verificación del voltaje de carga:

    • Conecte el multímetro a través de los terminales del motor.
    • Presione S1. El multímetro debería leer aprox. 12 V (voltaje de V2) y el motor debería girar.
    • Suelte S1. El voltaje debería caer a 0 V y el motor debería detenerse por inercia.

  4. Prueba del diodo flyback (Avanzado):

    • Sin D1, monitorear COIL_IN con un osciloscopio revelaría un gran pico de voltaje negativo cuando se suelta S1. Con D1 instalado, este pico se limita a aprox. -0.7 V, protegiendo a S1.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: DC motor control with relay and pushbutton

* --- Models ---
* Generic Pushbutton Switch Model (Voltage Controlled)
.model SW_PB SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=0.01 Roff=10Meg)
* Relay Contact Switch Model (Controlled by Coil Voltage)
.model SW_RELAY SW(Vt=3.5 Vh=0.2 Ron=0.05 Roff=10Meg)
* 1N4007 Diode Model
.model D1N4007 D(IS=7.07e-9 RS=0.034 N=1.7 BV=1000 IBV=5e-6 CJO=1e-11 TT=1e-7)

* --- Power Supplies ---
* V1: Control Circuit Power (5V)
V1 V_CTRL 0 DC 5
* V2: Motor Circuit Power (12V)
V2 V_PWR 0 DC 12

* --- Control Circuit (Input) ---
* S1: Pushbutton.
* Modeled as a voltage-controlled switch driven by a PULSE source (V_ACT)
* to simulate the physical act of pressing the button.
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: DC motor control with relay and pushbutton

* --- Models ---
* Generic Pushbutton Switch Model (Voltage Controlled)
.model SW_PB SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=0.01 Roff=10Meg)
* Relay Contact Switch Model (Controlled by Coil Voltage)
.model SW_RELAY SW(Vt=3.5 Vh=0.2 Ron=0.05 Roff=10Meg)
* 1N4007 Diode Model
.model D1N4007 D(IS=7.07e-9 RS=0.034 N=1.7 BV=1000 IBV=5e-6 CJO=1e-11 TT=1e-7)

* --- Power Supplies ---
* V1: Control Circuit Power (5V)
V1 V_CTRL 0 DC 5
* V2: Motor Circuit Power (12V)
V2 V_PWR 0 DC 12

* --- Control Circuit (Input) ---
* S1: Pushbutton.
* Modeled as a voltage-controlled switch driven by a PULSE source (V_ACT)
* to simulate the physical act of pressing the button.
* Wiring: Connects V_CTRL to COIL_IN.
V_ACT ACT_NODE 0 PULSE(0 5 10m 1u 1u 245m 1s)
S1 V_CTRL COIL_IN ACT_NODE 0 SW_PB

* K1: Relay Coil
* Wiring: Coil Terminal A to COIL_IN, Coil Terminal B to 0.
* Modeled as Inductor + Resistor in series.
R_K1_COIL COIL_IN K1_INT 60
L_K1_COIL K1_INT 0 100m

* D1: Flyback Diode
* Wiring: Cathode to COIL_IN, Anode to 0.
* SPICE Syntax: D   
D1 0 COIL_IN D1N4007

* --- Power Circuit (Output) ---
* K1: Relay Contact (Switch)
* Wiring: Common (COM) to V_PWR, Normally Open (NO) to MOTOR_IN.
* Controlled by the voltage at node COIL_IN.
S_K1_SW V_PWR MOTOR_IN COIL_IN 0 SW_RELAY

* M1: DC Motor
* Wiring: Positive to MOTOR_IN, Negative to 0.
* Modeled as an RL load (Resistance + Inductance).
R_M1 MOTOR_IN M1_INT 20
L_M1 M1_INT 0 10m

* --- Analysis Directives ---
.op
.tran 0.1m 250m

* --- Output Printing ---
* Must define INPUT (COIL_IN) and OUTPUT (MOTOR_IN)
.print tran V(COIL_IN) V(MOTOR_IN) V(ACT_NODE) I(L_M1)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows the control signal (V_ACT) going high at 10ms. Consequently, the coil voltage (V(COIL_IN)) rises to ~5V. This triggers the relay switch, causing the motor input voltage (V(MOTOR_IN)) to jump from near 0V to ~12V, and current flows through the motor load.
Show raw data table (2535 rows) 
Index   time            v(coil_in)      v(motor_in)     v(act_node)     l_m1#branch
0	0.000000e+00	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
1	1.000000e-06	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
2	2.000000e-06	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
3	4.000000e-06	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
4	8.000000e-06	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
5	1.600000e-05	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
6	3.200000e-05	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
7	6.400000e-05	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
8	1.280000e-04	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
9	2.280000e-04	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
10	3.280000e-04	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
11	4.280000e-04	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
12	5.280000e-04	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
13	6.280000e-04	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
14	7.280000e-04	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
15	8.280000e-04	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
16	9.280000e-04	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
17	1.028000e-03	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
18	1.128000e-03	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
19	1.228000e-03	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
20	1.328000e-03	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
21	1.428000e-03	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
22	1.528000e-03	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
23	1.628000e-03	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
... (2511 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Omitir el diodo flyback (D1):

    • Error: Dejar fuera el diodo a través de la bobina del relé.
    • Consecuencia: El campo magnético colapsante genera un pico de alto voltaje (fuerza contraelectromotriz) que puede formar un arco a través de los contactos del interruptor o destruir los controladores de transistores en circuitos futuros.
    • Solución: Instale siempre un diodo en polarización inversa (Cátodo al positivo) a través de cargas inductivas.

  2. Usar los contactos de relé incorrectos (NC vs NO):

    • Error: Conectar el motor al pin Normalmente Cerrado (NC) en lugar del Normalmente Abierto (NO).
    • Consecuencia: El motor funciona continuamente cuando el botón no está presionado y se detiene cuando se presiona.
    • Solución: Identifique el pin NO utilizando la hoja de datos o una prueba de continuidad antes de soldar.

  3. Mezclar rieles de alimentación:

    • Error: Conectar la alimentación del motor de 12 V directamente a la bobina de 5 V.
    • Consecuencia: La bobina del relé se sobrecalentará y probablemente se quemará debido al sobrevoltaje.
    • Solución: Asegúrese de que el voltaje de la bobina coincida con la alimentación de control (V1) y que la clasificación del contacto coincida con la alimentación del motor (V2).

Solución de problemas

  • Síntoma: El relé hace clic, pero el motor no funciona.

    • Causa: Contactos del relé quemados o cable suelto entre COM/NO y el motor.
    • Solución: Verifique la continuidad entre COM y NO mientras el relé se mantiene activo.

  • Síntoma: El relé no hace clic cuando se presiona S1.

    • Causa: Error de cableado de la bobina o S1 está defectuoso.
    • Solución: Mida el voltaje en los terminales de la bobina mientras presiona S1. Si es 0 V, verifique S1.

  • Síntoma: El circuito se reinicia o se producen chispas en S1.

    • Causa: Falta del diodo flyback causando arcos.
    • Solución: Instale D1 inmediatamente a través de los terminales de la bobina.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Controlador de transistor: Reemplace la conexión directa del pulsador con un transistor NPN (por ejemplo, 2N2222) para controlar el relé utilizando una señal débil de un Arduino o microcontrolador.
  2. Circuito de auto-enclavamiento: Agregue un segundo contacto de relé o cablee el relé en una configuración de «enclavamiento» con un botón de «Parada» separado (NC), para que no tenga que mantener presionado S1 para mantener el motor en marcha.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es la función principal de un relé en el circuito descrito?




Pregunta 2: ¿Qué componente se menciona implícitamente como necesario para proteger contra picos de voltaje (aunque no se detalle en el extracto, es estándar en estos circuitos)?




Pregunta 3: ¿Qué sonido característico se espera escuchar cuando se activa el relé?




Pregunta 4: ¿Por qué es útil este circuito en sistemas automotrices?




Pregunta 5: ¿Cuál es el nivel de dificultad asignado a este caso práctico?




Pregunta 6: ¿Qué sucede inmediatamente después de que el relé hace clic al cerrar el circuito de carga?




Pregunta 7: ¿Qué ventaja ofrece el relé en términos de aislamiento de seguridad?




Pregunta 8: ¿Qué voltaje se utiliza típicamente en los PLC mencionados en el contexto de automatización industrial?




Pregunta 9: ¿Qué problema evita el uso de un relé al manejar altas corrientes?




Pregunta 10: ¿En la automatización industrial, qué permite hacer este tipo de circuito?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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