Cuando vemos la etiqueta "12V" en un motor, en realidad estamos viendo el voltaje nominal del motor, básicamente el punto en el que tiene su mejor rendimiento y trabaja con mayor eficiencia. La mayoría de los motores de corriente continua de 12 V pueden manejar variaciones de voltaje de aproximadamente un 10 % respecto a este valor, por lo que funcionan bien entre unos 10,8 voltios y 13,2 voltios. Pero si funcionan fuera de este rango durante demasiado tiempo, su rendimiento comienza a deteriorarse y su vida útil se reduce. Cuando el voltaje baja hasta solo 9 voltios, el motor pierde una cantidad considerable de potencia, normalmente reduciéndose a alrededor del 55 al 60 % de su capacidad nominal, porque los campos magnéticos internos ya no son lo suficientemente fuertes. Superar los 15 voltios expone al motor a un riesgo serio de daño en los devanados y problemas de sobrecalentamiento. Tampoco es recomendable funcionar constantemente por debajo de 9 voltios, ya que aumenta la probabilidad de que el motor se detenga y provoca problemas con el conmutador. Organismos normalizadores como la IEC han definido estos voltajes nominales como puntos de referencia para la calificación de los motores, y no como límites estrictos que no puedan superarse.
La carga mecánica rige tanto el consumo de corriente como la velocidad de rotación en proporción directa. A medida que aumenta la demanda de par, la corriente del inducido aumenta bruscamente mientras que la velocidad disminuye, impulsado por el aumento de la fuerza contraelectromotriz (CEMF) que se opone al voltaje aplicado. Para motores típicos con escobillas motores dc de 12v :
| Condición de carga | Velocidad (% de vacío) | Consumo de corriente (% de bloqueo) |
|---|---|---|
| No hay carga. | 100% | 10—15% |
| Media carga | 75—85% | 40—50% |
| Carga completa | 60—70% | 90—100% |
Esta relación inversa refleja la física fundamental del motor: el par es directamente proporcional a la corriente, mientras que la velocidad es inversamente proporcional al par a voltaje constante. Sobrecargar más allá de los límites de diseño puede provocar la desmagnetización irreversible de los imanes permanentes, un modo común de falla documentado en los protocolos de prueba IEEE Std 112-2017.
La velocidad de un motor DC con escobillas generalmente sigue una relación lineal con el voltaje de alimentación siempre que las condiciones de carga y temperatura permanezcan constantes. Esto ocurre porque la fuerza contraelectromotriz (fuerza electromotriz inversa) aumenta proporcionalmente con las RPM, de modo que el motor alcanza su estado estable cuando la fuerza contraelectromotriz iguala al voltaje suministrado. Cuando alguien reduce el voltaje de 12 voltios a solo 6 voltios, puede esperar aproximadamente la mitad de las RPM normales sin carga, quizás entre un 45 y un 50 por ciento menos. Lo interesante es cómo se comporta el par. A medida que el voltaje disminuye, el par en realidad cae más rápidamente, casi como si se elevara al cuadrado la reducción. A 8 voltios, por ejemplo, el par podría ser solo alrededor de dos tercios del valor original a 12 voltios completos, lo que significa que el motor ya no podrá manejar cargas pesadas. Esto contrasta fuertemente con los motores de inducción AC, donde la velocidad depende principalmente de la frecuencia del suministro eléctrico. Sin embargo, en los motores DC, controlar la velocidad simplemente requiere ajustar el nivel de voltaje. Mantener el voltaje de alimentación dentro de aproximadamente un 10 por ciento por encima o por debajo del valor nominal ayuda a conservar un rendimiento constante y evita esas situaciones frustrantes en las que el motor funciona demasiado lento pero consume corriente excesiva, algo que desgasta las escobillas mucho más rápido con el tiempo.
Un cableado adecuado protege tanto al motor como a la electrónica de control frente a tensiones eléctricas y daños no deseados. Comience siempre con la polaridad correcta: invertir las conexiones + y — puede dañar componentes internos o activar apagados de seguridad en controladores inteligentes.
Siga esta secuencia verificada para un funcionamiento robusto y de bajo riesgo:
Si se interrumpe la alimentación de un motor de corriente continua, los devanados inductivos internos resistirán la caída repentina de corriente. Esto provoca que el campo magnético colapse rápidamente, generando picos de voltaje peligrosos que pueden superar los 100 voltios. Se sabe que estas sobretensiones eléctricas dañan los MOSFET, queman los pines GPIO de microcontroladores o desgastan lentamente los contactos de relé debido a exposiciones repetidas. Instalar un diodo de flyback de buena calidad, como un 1N4007 estándar o una de las opciones Schottky más rápidas, produce excelentes resultados. Conéctelo a través de las terminales del motor con el cátodo conectado al terminal positivo y el ánodo al negativo. El diodo permanece inactivo cuando todo funciona normalmente, pero entra en acción inmediatamente cuando el motor se apaga. De forma eficaz, atrapa esos picos de voltaje perjudiciales y libera de manera segura la energía almacenada de vuelta al bobinado del motor, en lugar de permitir que dañe otros componentes. Según normas industriales como UL 1004-1 y NEMA MG 1, este tipo de protección no solo es recomendado, sino obligatorio para cualquier carga inductiva no aislada presente en fábricas o vehículos.
Los potenciómetros ofrecen una forma sencilla de controlar la velocidad de manera analógica, lo cual funciona muy bien para proyectos pequeños, como herramientas educativas o pequeños robots que no necesitan mucha potencia. ¿Qué los hace tan populares? La instalación sencilla realmente ayuda. Solo hay que conectar tres cables: uno al V+, otro al cursor y tierra para completar el circuito. Además, existe esa sensación física satisfactoria al ajustar la configuración. Pero aquí está el problema: actúan como resistencias variables conectadas directamente a los motores, lo que significa que generan bastante calor debido a la electricidad desperdiciada. Tomemos un sistema estándar de 12 voltios que consume alrededor de 2 amperios. Cuando el potenciómetro está ajustado a la mitad, podría estar disipando más de 24 vatios de energía. La mayoría de los potenciómetros montados en panel común no pueden manejar con seguridad esa cantidad de calor. Debido a esta limitación, el control lineal no es adecuado para dispositivos que funcionen continuamente con más de medio amperio aproximadamente. Si alguien desea utilizar potenciómetros en aplicaciones del mundo real, debe limitar su uso a breves períodos de actividad donde los requisitos de par sean mínimos. Y recuerde incluir protección térmica adicional en cualquier diseño que implique estos componentes.
Los transistores hacen que el conmutado electrónico funcione eficientemente, aunque elegir el tipo correcto es fundamental para el rendimiento general. Considere los transistores bipolares de tipo NPN, como el modelo TIP120. Cuestan casi nada y funcionan muy bien con microcontroladores, pero tenga cuidado con la caída de 0,7 V cuando están conduciendo. A unos 5 amperios de corriente, esto genera alrededor de 3,5 vatios de calor simplemente dentro del propio transistor. Esto significa que es obligatorio añadir disipadores de calor, y la eficiencia general cae por debajo del 90 % cuando la corriente aumenta. Comparemos ahora con MOSFETs lógicos de canal N, como los modelos IRLB8721 o FQP30N06L. Estos componentes tienen valores de resistencia extremadamente bajos, a veces tan solo de 5 a 10 miliohmios. ¿El resultado? Menos de un cuarto de vatio perdido a 5 amperios, en lugar de 3,5 vatios. Además, dado que son controlados por voltaje en lugar de ser accionados por corriente, no necesitan una corriente de base constante, lo que los hace ideales para dispositivos alimentados por batería. Al trabajar con motores de corriente continua de 12 voltios, como los utilizados en accesorios para automóviles, herramientas eléctricas o incluso en esos actuadores de uso medio que vemos actualmente en todas partes, los MOSFET superan claramente a otras opciones en estabilidad térmica, capacidad de escalado y durabilidad prolongada.
La modulación por ancho de pulso proporciona un control preciso y eficiente de la velocidad de los motores al encender y apagar muy rápidamente el voltaje completo de la fuente. Lo que cambia es simplemente cuánto tiempo permanece encendida la energía durante cada ciclo, conocido como ciclo de trabajo. Debido a que los motores tienen cierta resistencia inherente a los cambios bruscos, suavizan naturalmente estos pulsos eléctricos, de modo que tanto el par como la velocidad aumentan en proporción directa al porcentaje del ciclo de trabajo. Al utilizar MOSFET modernos con baja resistencia, las pérdidas por conmutación permanecen muy pequeñas, lo que hace que los sistemas PWM sean aproximadamente un 90 % más eficientes en comparación con los métodos lineales antiguos. Elegir la frecuencia adecuada también es importante. Frecuencias inferiores a 1 kHz generan ruidos molestos y movimientos irregulares, mientras que aquellas superiores a 20 kHz funcionan en silencio y sin vibraciones, lo que las hace ideales para aplicaciones como drones, dispositivos médicos e instrumentos de laboratorio. La mayoría de los estándares industriales recomiendan mantener el PWM alrededor de 16-18 kHz para motores de corriente continua de 12 V estándar, ya que este rango generalmente evita problemas de interferencia electromagnética, ruidos no deseados y acumulación excesiva de calor. Ajustar tanto el ciclo de trabajo como la frecuencia permite a los ingenieros adaptar el rendimiento a diferentes aplicaciones, ya sea para obtener el par máximo al arrancar desde el reposo o reducir la interferencia cerca de equipos de medición delicados.
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