Caso práctico: Arranque suave de motor de corriente continua

Objetivo

Implementar un arranque suave de un motor DC empleando un capacitor que genera una rampa de tensión en la base de un transistor, reduciendo picos de corriente y golpes mecánicos.

Topología (resumen)

• Conmutación en bajo (low-side) con transistor NPN Darlington (TIP122) como elemento serie.
• Red RC (R1–C1) que eleva lentamente la tensión de base.
• Diodo de rueda libre en paralelo con el motor.

Mediciones (resumen)

• V_C: tensión del capacitor (y base) para ver la rampa.
• V_M: tensión en el motor durante el arranque.
• I_M: corriente del motor (medición en serie al positivo).

Materiales

• 1 × Fuente DC 12 V (PS1) compatible con el motor (puede ser 9–12 V)
• 1 × Motor DC 6–12 V (M1)
• 1 × Transistor NPN Darlington TIP122 (Q1)
• 1 × Resistor 22 kΩ, 1/4 W (R1)
• 1 × Capacitor electrolítico 100 µF, 25 V (C1)
• 1 × Diodo 1N5819 (o 1N4007) para rueda libre (D1)
• 1 × Protoboard y juegos de cables
• 1 × Multímetro digital (tensión y corriente)
• Opcional: 1 × Osciloscopio

Guía de conexionado

• Conecta PS1: positivo (+12 V) arriba y GND abajo.
• Motor M1:
• Terminal superior a +12 V.
• Terminal inferior al colector de Q1.
• Q1 TIP122:
• Colector (C) al terminal inferior del motor (nodo V_M−).
• Emisor (E) a GND.
• Base (B) al nodo RC (punto V_C).
• Red RC:
• R1 (22 kΩ) entre +12 V y el nodo V_C (base).
• C1 (100 µF) entre el nodo V_C y GND. Ojo: el terminal “+” del capacitor hacia el nodo V_C.
• D1 (rueda libre) en paralelo con el motor:
• Cátodo a +12 V (arriba del motor).
• Ánodo al nodo V_M− (abajo del motor). Orientación correcta es clave.
• Puntos de medida (abreviaturas usadas en el esquema):
• V_C: tensión en el nodo RC/Base respecto de GND. Mide entre “● V_C” y GND.
• V_M+: terminal superior del motor. V_M−: terminal inferior del motor. Para medir V_M, mide entre “● V_M+” y “● V_M−”.
• I_M: corriente del motor. Para medirla, interrumpe el conductor entre +12 V y el terminal superior del motor e inserta el multímetro en serie entre los dos puntos “● I_M” (multímetro en modo A, rango adecuado).

Esquemático

                 PS1 Fuente DC 12 V
                       +12 V
                         │
                         ├───────────────● I_M
                         │               │
                         │              ┌┴┐
                         │              │ │   M1 Motor DC 6–12 V (M1)
                         │              │ │
                         │              └┬┘
                         │               ● V_M+
                         │               │
                         │              ┌┴┐
                         │              │ │   D1 1N5819 (flyback)
                         │              │ │   (cátodo arriba)
                         │              └┬┘
                         │               ● V_M−
                         │               │
                         │             ┌─┴─┐
                         │             │   │   Q1 TIP122 (NPN Darlington)
                         │─────────────┤   │   (entrada izquierda = Base)
                         │             │   │
                         │             └─┬─┘
                         │               │
                        GND             GND


        +12 V
          │
        ┌─┴─┐
        │   │  R1 22 kΩ (base)
        │   │
        └─┬─┘
          │
          ● V_C ──────────────────────────────── (conecta a la Base de Q1, línea horizontal hasta el lado izq. del rectángulo)
          │
        ┌─┴─┐
        │   │  C1 100 µF 25 V  (+ arriba)
        │   │
        └─┬─┘
          │
         GND

Mediciones y pruebas

• Verificar rampa en el capacitor (V_C):

  • Coloca el multímetro en modo V DC.
  • Punta roja en “● V_C” y negra en GND.
  • Aplica alimentación: V_C debe subir suavemente desde ~0 V hasta cerca de +12 V. El tiempo aproximado será τ ≈ R1×C1 = 22 kΩ × 100 µF ≈ 2,2 s.

• Observar la tensión en el motor (V_M):

  • Mide V_M entre “● V_M+” (punta roja) y “● V_M−” (punta negra).
  • Al aplicar alimentación, V_M debe aumentar progresivamente, acompañando la rampa de V_C, haciendo que el motor acelere suavemente.

• Medir la corriente del motor (I_M):

  • Apaga la fuente. Interrumpe el conductor entre +12 V y el terminal superior del motor en los dos puntos “● I_M”.
  • Inserta el multímetro en serie (modo A, rango 1–2 A o el que corresponda al motor).
  • Enciende: I_M debe iniciar menor y aumentar gradualmente, sin pico brusco.

• Prueba de paro y re-arranque:

  • Apaga y vuelve a encender tras 5–10 s para dejar que C1 se descargue.
  • Repite observando la rampa en V_C y V_M.

• Notas sobre abreviaturas:

  • V_C: tensión del capacitor C1 respecto de GND (coincide con la tensión de Base).
  • V_M: tensión aplicada al motor entre sus terminales superior (V_M+) e inferior (V_M−).
  • I_M: corriente que circula por el motor, medida en serie en el tramo marcado con “● I_M”.

Cómo funciona (breve)

• Al encender, C1 está descargado y “tira” de la Base a 0 V, manteniendo Q1 apagado.
• C1 se carga a través de R1, elevando gradualmente la tensión de Base (V_C).
• La conducción de Q1 aumenta progresivamente, aplicando al motor una tensión creciente (V_M) que produce un arranque suave.
• D1 recircula la corriente de la inductancia del motor al apagarse, protegiendo a Q1 de picos inversos.

Errores comunes

• Invertir el capacitor C1: el “+” debe ir al nodo V_C. Un electrolítico invertido puede dañarse.
• Diodo D1 en sentido incorrecto: cátodo a +12 V, ánodo al nodo V_M−.
• Pinout del TIP122: verifica C (colector), B (base) y E (emisor) según el datasheet del encapsulado.
• R1 demasiado baja: exceso de corriente de base y el arranque deja de ser suave. Demasiado alta: el transistor no satura y el motor pierde fuerza.
• Fuente insuficiente: si la corriente de la fuente es menor que la del motor, habrá caídas y vibración.

Seguridad

• No toques partes móviles del motor; fija el motor para evitar que salga despedido.
• Evita cortocircuitos: desconecta la fuente antes de reconfigurar.
• Si el motor consume más de 1 A, evita calentar en exceso el TIP122 y considera disipador.

Mejoras y variantes

• Ajuste de rampa: aumenta C1 o R1 para un arranque más lento; disminúyelos para uno más rápido.
• Descarga rápida al apagar: coloca un resistor de 100 kΩ en paralelo con C1 para asegurar descarga en apagados frecuentes.
• Menor caída de tensión y mejor eficiencia: sustituye Q1 por un MOSFET canal N “logic level” (por ejemplo, IRLZ44N) manteniendo la idea de RC en la compuerta.
• Protección adicional: añade un fusible acorde a I_M nominal y un diodo TVS en la línea de +12 V si la instalación es ruidosa (automoción).

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

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

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