Un relé o un solenoide necesita la tensión completa en su bobina solo para cerrarse. Una vez actuado, el saber popular de la electrónica dice que basta con la mitad de la tensión y de la corriente para mantenerlo en su lugar, o sea con un cuarto de la potencia. Un driver que aplica la tensión completa todo el tiempo quema cuatro veces más energía de la necesaria y calienta la bobina cuatro veces más de lo que el trabajo exige.
Stephen Woodward publicó en la sección Design Ideas de EDN un circuito que ataca ese desperdicio con modulación por ancho de pulso (PWM). Funciona con alimentación de 8 a 48 V y, de paso, sobrevive a las fallas de circuito abierto y de cortocircuito y las reporta por un bit de estado.
¿Cómo funciona el circuito?
En el circuito de la figura 1, el ciclo de trabajo PWM del transistor Q2 pasa de 100% durante la actuación a un 50% de sostenimiento, que es donde se ahorra la potencia. Admite corrientes de carga de hasta medio ampere. La resistencia R5 protege la unión base emisor del limitador de corriente Q3 ante sobrecorrientes. Q1 detecta si la bobina está abierta o en corto.
La señal PWM del bit de salida de propósito general (GPO) fija el ciclo de trabajo de Q2 en tres etapas. Parte en 0% con el relé apagado, sube a 100% para la actuación con tensión completa y baja a cerca de 50% para el sostenimiento a un cuarto de potencia. Q3 protege a Q1 de la sobrecorriente que produce una bobina en cortocircuito.
Q1 aprovecha el "contragolpe" inductivo de la bobina L1 del relé o solenoide para confirmar que el driver funciona bien, y lo reporta como un "1" lógico en el pin de entrada de propósito general (GPI). Si el contragolpe no aparece, porque la bobina está abierta o en corto, el pin marca el valor opuesto, un "0".
Los tiempos del driver
La figura 2 muestra un esquema de los tiempos, sin escala.
Cada tramo del diagrama corresponde a una etapa del funcionamiento:
- T1, el plazo hasta la primera revisión de fallas, es la constante de tiempo L1/R de la bobina, cerca de 500 µs.
- T2, el tiempo con ciclo de trabajo cercano a 100% para la actuación inicial, dura unos 10 ms.
- T3 es el sostenimiento con 50% de ciclo de trabajo, que se mantiene todo el tiempo que la aplicación lo necesite.
- T4, el período de cada ciclo PWM de sostenimiento, mide cerca de 100 µs, lo que equivale a 10 kHz.
Un solo circuito para todas las tensiones
El diseño no desperdicia potencia y no obliga a cambiar el valor de ningún componente para trabajar con otra tensión de alimentación dentro del rango. Woodward lo resume así en su texto.
"Y es simple. Además de, me atrevo a decirlo, ¿hermoso? ¡Supongo que acabo de hacerlo!"
La relación de Woodward con la columna Design Ideas de EDN viene de lejos. Desde su primera colaboración, en 1974, la revista le ha aceptado más de 200 diseños, y dos de ellos ganaron como mejor Design Idea del año, en 1974 y en 2001.
