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Control de rapidez para una máquina de coser portatil

2012-07-15

Máquina de coser portátil con su nuevo mando.
Máquina de coser portátil con su nuevo mando.

Tengo una pequeña máquina de coser portátil accionada a pilas. Se trata de una máquina muy sencilla que hace punto en cadena y está accionada por un motorcito eléctrico de corriente continua alimentado mediante cuatro pilas de tamaño AA alojadas en un portapilas externo que es posible enchufar y desenchufar. El control es muy simple: consiste en un pulsador que cierra el circuito que alimenta el motor. La frecuencia de las puntadas puede ser algo elevada para algunos trabajos y la única forma de bajarla consiste en pulsar y dejar de pulsar el botón de activación a un ritmo adecuado. Decidí fabricar un mando electrónico para ajustar la frecuencia.

La idea del mando

La solución más sencilla podría consistir en poner un reostato entre la alimentación y el motor; al variar la resistencia, variarían las condiciones de operación del motor. El problema de esta solución es que es muy poco eficiente, ya que se tira mucha potencia en las pérdidas en el reostato, más conforme se ajusta para menor rapidez. Sería mejor encontrar una solución con una eficiencia elevada y más o menos constante en todo el amplio rango de regímenes de operación. Una forma de lograr esto es con un control intermitente que emula el principio de pulsar y soltar el botón de alimentación, pero a una frecuencia muy elevada y estable: un alimentador de tipo chopper. Si el chopper pasa la mayor parte del ciclo de operación en circuito cerrado, entonces el motor gira rápidamente y la máquina de coser da las puntadas deprisa; si el chopper pasa la mayor parte del ciclo de operación en circuito abierto, entonces el motor gira lentamente y la máquina de coser da las puntadas despacio. El punto de trabajo del chopper puede elegirse con un mando y el circuito puede ir metido dentro de una nueva carcasa portapilas.

El circuito

Usé nuestro viejo amigo el temporizador 555 en modo oscilador astable para abrir y cerrar periódicamente la alimentación del motor por medio de un transistor que hace las veces de interruptor. Un potenciómetro permite ajustar el punto de trabajo (cuánto tiempo del total del ciclo se alimenta el motor). Hay un diodo que sirve para lograr ciclos inferiores al 50 %.

Tras medir un poco, comprobé que el motor perdía mucho par efectivo al bajar el punto de trabajo hasta volverse prácticamente inoperativo debajo de un tercio, así que escogí los componentes para tener el mínimo en ese entorno y el máximo próximo al ciclo completo.

La frecuencia de oscilación no es algo crítico, así que elegí los componentes para que ésta fuera de entre una y dos decenas de kilohertzios. La frecuencia más baja es audible como un pitido agudo y se da en el menor punto de trabajo; como entonces el motor puede pararse, da una pista auditiva de que la máquina funciona bien y sólo hay que darle un empujuncito para que venza el rozamiento y vuelva a moverse.

Probé la máquina con una alimentación de unos 5 V. El consumo libre era de unos 600 mA, mientras que bloqueado subía por encima de los 1500 mA. Fui a la tienda de componentes electrónicos más cercana y me hice con el transistor disponible más barato capaz de sobrevivir al bloqueo del motor. Este transistor fue un BD243C, un robusto NPN que aguanta sin sudar hasta 6 A pero que tiene una ganancia de corriente en continua que puede ser tan bajita como 15 (lo que significaría, si se diera a 1500 mA, que habría que meter en la base la friolera de al menos 100 mA para entrar en saturación y evitar convertir el montaje en un horno).

Como protección frente a comportamientos antisociales del motor, hay un diodo de descarga. Este diodo es del mismo tipo que el usado en el oscilador: 1N4007, una pieza robusta y que me resulta muy cómoda de obtener.

Como el circuito consume potencia al estar conectado incluso si la máquina de coser está parada, puse un interruptor de encendido y un led que brilla cuando el circuito está en marcha.

La máquina de coser tiene un enchufe de tipo minijack mono (TS de 3,5 mm). El cuerpo de la clavija va al colector del transistor y la punta de la clavija va a la alimentación.

Listado de componentes

Esquemas y planos

Esquema del circuito.

En primer lugar, el esquema:

Diseño de la placa del circuito.

En segundo lugar, la placa del circuito:

También está disponible un archivo con el código fuente del esquema y del circuito en los formatos de gEDA:
chopper.tar.gz.

Construcción

Corté una placa perforada de puntos para prototipos con las medidas adecuadas y soldé en ella los componentes de acuerdo con el plano. Hice las pistas mediante puentes de estaño entre los puntos de cobre. El led tiene los terminales sin cortar para llegar muy alto y tiene un separador hecho de cartulina para evitar cortocircuitos accidentales. El potenciómetro, el interruptor de encendido y el portapilas van enchufados con conectores Molex y el cable de alimentación que va a la máquina de coser está soldado directamente a la placa. Todo el montaje va metido dentro de una cajita de cartón corrugado que corté a medida y forré con cinta aislante roja para dejarla a juego con la máquina de coser.

Vista superior del circuito.
Vista superior del circuito.

Vista inferior del circuito.
Vista inferior del circuito.

Carcasa abierta para dejar ver el interior.
Carcasa abierta para dejar ver el interior.

Rendimiento

Saqué una curva de rendimiento del aparato. La eficiencia tomada como la potencia suministrada al motor dividida por el consumo total está entre 0,8 y 0,9 en todo el rango de puntos de trabajo, lo que coincide con los cálculos (si no fuera así, todo indicaría que algunos componentes estarían defectuosos y no funcionarían como lo anunciado). El rendimiento podría haber sido mayor con un MOSFET en vez del BJT en el papel de interruptor y con un oscilador de menor consumo. Sin cambiar el transistor, poner más resistencia en la base en vez del bajito valor de 30 Ω podría servir para aumentar notablemente la eficiencia a cambio de un mayor calentamiento en caso de bloqueo del motor debido a que el transistor no conmutaría por completo.

Eficiencia medida en diferentes puntos de trabajo.
Eficiencia medida en diferentes puntos de trabajo. Los símbolos son grandes con razón: las medidas bailaban mucho.


Categorías: DIY, Electricidad

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