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Experimentos com motores de passo (MEC283)

Os motores de passo são elementos fundamentais em periféricos de computadores tais como impressoras, scanners, etc., além de equipamentos Industriais de Robótica e Mecatrônica. No entanto, estes motores não são muito conhecidos, sendo interessante que os cursos técnicos realizem experimentos que visem a familiarização com este tipo de componente. Neste artigo, damos alguns experimentos simples e aplicações que servem para mostrar como os motores funcionam, algumas bastante curiosas sendo, por isso, ideais para aulas de cursos técnicos.

Na sua aplicação básica, os motores de passo são controlados por microprocessadores e circuitos especiais que permitem fazer seu posicionamento de maneira precisa conforme a utilização. São motores de passo que fazem a varredura dos sensores em scanners e impressoras, assim como o posicionamento das cabeças de gravação.

Estes motores operam com pequenos incrementos de posição que são determinados pelo seu tipo.

Entretanto, estes motores também podem operar de formas diferentes, rodando de maneira contínua quando polarizados de forma apropriada, e até mesmo gerando energia elétrica, como um dínamo.

Neste artigo, veremos alguns experimentos que podem ser feito com motores de passo.

 

ONDE OBTER MOTORES DE PASSO

Hoje em dia existe certa facilidade em se obter motores de passo usados mas em bom estado. Muitas impressoras matriciais e máquinas usadas em escritórios, que já não funcionam mais, e mesmo outros tipos de periféricos usados em computadores podem estar abandonados com os seus motores de passo em bom estado.

Em lojas de peças da Rua Santa Ifigênia, em São Paulo, ou mesmo em lugares onde se encontram sucatas de equipamentos eletrônicos e de escritórios temos visto estes motores de passo. Também são encontrados em lojas que vendem peças arrematadas em leilões ou até em "desmanches" exibindo caixas enormes cheias de motores de passo em bom estado, que são vendidos por preços na faixa de R$ 5,00 a R$ 10,00 (VEJA NOTA) conforme o tipo.

 

Isso no ano 2000, mas os preços hoje não estão muito longe disso para os tipos encontrados em saldos.

 

Com dois motores deste tipo muitas experiências e demonstrações podem ser feitas. É o que veremos a seguir.

 

 

OS TIPOS DE MOTOR DE PASSO

Na figura 1 temos os aspectos mais comuns para estes motores que não devem ser confundidos com motores de corrente contínua (DC).

 

Motor de passo comum - não devem ser confundidos com motores de corrente contínua.
Motor de passo comum - não devem ser confundidos com motores de corrente contínua.

 

 

 

Enquanto os motores de corrente contínua têm apenas dois pólos ou dois fios de ligação, os motores de passo possuem diversos fios de ligação para um conjunto de bobinas internas.

 

O tipo mais comum de motor de passo tem dois enrolamentos independentes dispostos da forma mostrada na figura 2.

 

 

O tipo mais corriqueiro de motor de passo tem dois enrolamentos com tomada central de modo a se comportarem como 4 enrolamentos com um ponto comum.
O tipo mais corriqueiro de motor de passo tem dois enrolamentos com tomada central de modo a se comportarem como 4 enrolamentos com um ponto comum.

 

 

 

Neste motor temos 6 fios de ligação. As tomadas extremas e central de cada enrolamento podem ser determinadas facilmente pela medida da resistência com um multímetro. Estes são os motores ideais para a realização de experimentos simples como os que descrevemos neste artigo.

Assim, o primeiro passo a dar quando se consegue um motor deste tipo é identificar os fios de ligação dos enrolamentos. A resistência entre a tomada central e cada extremo deve ser a metade da encontrada entre os fios extremos, conforme mostra a figura 3.

 

Identificando os enrolamentos do motor de passo.
Identificando os enrolamentos do motor de passo.

 

 

FUNCIONANDO COMO UM MOTOR DC

Na operação normal os motores de passo são posicionados por sinais lógicos aplicados nas suas bobinas.

Para que eles girem num sentido ou noutro, o que se faz é aplicar sinais sequenciais nas bobinas segundo uma determinada ordem que depende do tipo, conforme já explicamos em artigo publicado nesta mesma revista.

As tensões de operação destes motores ficam normalmente na faixa de 12 a 24 volts e o seu consumo, como em qualquer tipo de motor, dependerá do esforço que eles devem fazer.

Assim, um motor típico de 16 V precisa de apenas 25 mA para girar em "vazio", ou seja, sem nada acoplado ao seu eixo, e terá seu consumo com força máxima subindo para algo em torno de 300 mA.

Para fazer girar um motor "em vazio" de modo a demonstrar seu princípio de funcionamento não precisamos de um circuito de alta potência. Até mesmo com os 5 V de um circuito TTL, dando uma pequena "ajuda" para a partida podemos fazer um motor de pequena potência girar.

O que se faz então é aplicar sinais em quadratura nos enrolamentos. A frequência destes sinais vai determinar a velocidade com que ele deverá girar, havendo é claro um limite para isso.

Na figura 4 temos um circuito que pode fazer girar um motor de passo de modo que ele funcione como um motor de corrente contínua com a velocidade controlada pela frequência do oscilador.

 

Fazendo um motor de passo girar.
Fazendo um motor de passo girar.

 

Neste circuito o par de transistores BD135/BD136 com resistores de 1k2 forma uma fonte que divide a tensão de alimentação por 2. Desse modo, de acordo com as saídas do oscilador que vão ao nível alto ou baixo, os transistores conduzem alternadamente, fazendo com que a corrente circule num sentido ou noutro dos enrolamentos do motor.

Para uma potência maior podemos agregar uma ponte com transistores de maior potência como, por exemplo, transistores Darlington de potência NPN e PNP, segundo as exigências do motor.

Veja o leitor que deverá verificar experimentalmente a combinação de fios que deve ser usada na ligação para determinar o sentido de rotação do motor. Se houver a ligação de um dos pares de bobina de forma invertida, o motor deverá parar numa posição intermediária do giro.

Outra forma interessante de controlar o motor é usando dois flip-flops, veja exemplo na figura 5.

 

Os flip-flops podem suprir a corrente necessária a uma operação experimental sem carga.
Os flip-flops podem suprir a corrente necessária a uma operação experimental sem carga.

 

Os sinais aplicados a estes flip-flops irão energizar de forma alternada os enrolamentos, fazendo com que o motor gire. Neste caso, ligamos diretamente as saídas dos flip-flops aos enrolamentos do motor que, para efeito de demonstração, deverá operar "em vazio". Para uma operação com carga devem ser previstos circuitos excitadores com transistores de potência.

Mais uma vez, os flip-flops devem ser excitados de modo que a sequência de pulsos aplicados aos enrolamentos esteja correta e assim fixe o sentido de rotação. Isso pode ser obtido experimentalmente.

Veja que, se estes flip-flops forem controlados por uma interface ligada à porta paralela de um computador, poderemos gerar os sinais por um programa fazendo o motor de passo girar de acordo com uma seleção de velocidade por mouse.

Nos cursos técnicos, experimentos com motores de passo podem ser úteis para ajudar o aluno a entender seu funcionamento.

Depois de uma experiência em que se solicita para que o aluno descubra a sequência exata necessária à rotação, pode-se pedir que ele explique o porque desta sequência.

 

USANDO OS MOTORES COMO DÍNAMOS EXPERIMENTAIS

Uma primeira experiência interessante que pode ser feita usando um motor como gerador é a ilustrada na figura 6.

 

Funcionando como um motor “sincro”.
Funcionando como um motor “sincro”.

 

Girando com os dedos o rotor de um motor de modo a fazê-lo funcionar como um dínamo, o outro motor irá girar acompanhando o movimento. Se os motores forem iguais, será mais fácil fazer a ligação. Se forem diferentes, deve-se descobrir experimentalmente a combinação de fios que resulta neste efeito.

 

Obs. Nem todos os motores funcionam neste experimento.

 

Dentre as aplicações possíveis num laboratório experimental ou com finalidade didática, temos as seguintes:

 

a) Anemômetro para a medida da velocidade do vento pela tensão gerada. Basta conectar um voltímetro na saída. Uma tabela de velocidades de vento pode ser elaborada com base em experimentos feitos com um fio de seda, pela sua inclinação.

b) Dínamo experimental mostrando como funciona uma usina hidroelétrica. LEDs ou mesmo pequenas lâmpadas de baixo consumo podem ser ligadas pela energia gerada por um simples motor de passo, conforme sugere a figura 7.

 

Funcionando como dínamo . O diodo evita a descarga do capacitor pelo entolamento do motor.
Funcionando como dínamo . O diodo evita a descarga do capacitor pelo entolamento do motor.

 

 

c) Ligando um circuito retificador de onda completa e um estabilizador de tensão, pode-se fazer um dínamo para alimentar pequenos dispositivos eletrônicos tais como rádios transistorizados, calculadoras, relógios, sinalizadores, um pequeno LASER pointer, etc. Na figura 8 mostramos um circuito retificador com regulador de tensão integrado que pode ser empregado para esta finalidade.

 

 

Um “Usina” para alimentar aparelhos de 6 V.
Um “Usina” para alimentar aparelhos de 6 V.

 

 

 

d) Experimentos como a carga de capacitores com a energia gerada pelo motor podem ser planejados.

 

 

 

Opinião

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