Comprender las señales de salida del codificador para ayudar en la selección óptima del dispositivo

Los controladores electrónicos de motores generalmente requieren un codificador para detectar la posición o la velocidad del rotor. Para elegir un dispositivo adecuado, el ingeniero debe evaluar varios aspectos, comenzando por si la aplicación requiere un codificador incremental, absoluto o de conmutación. Después de tomar esta decisión, debe considerar parámetros adicionales que incluyen la resolución, el patrón de montaje y el tamaño del eje del motor, entre otros.

Elegir el tipo de señal de salida más adecuado no siempre es obvio y a menudo se pasa por alto. Los tres tipos más comúnmente encontrados son de colector abierto, en contrafase y de controlador de línea diferencial. Este artículo explica cada uno de los tipos para ayudar a los ingenieros a elegir un dispositivo adecuado en función de las necesidades de su aplicación.

Principios básicos

Cada tipo de señal de salida del codificador es digital, ya sea la salida en cuadratura de un codificador incremental, la salida del polo del motor de un codificador de conmutación, o una salida en serie conforme a un protocolo específico. Así, las señales siempre cambian entre cercano a 0 V y cercano a 5 V, para un codificador de 5 V, correspondiente a cero lógico o 1. Por lo tanto, la salida de un codificador incremental es una onda cuadrada básica, como se muestra en la Figura 1.

Figura 1: Salida de onda cuadrada genérica del codificador digital. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Salida de colector abierto

Una salida de colector abierto (Figura 2) es la más común entre los codificadores rotativos. Esto significa que el pin del colector en el transistor se deja abierto o desconectado cuando la señal de entrada es alta. Cuando es necesario que la salida sea baja, se conduce a tierra.

Figura 2: Esquema de salida de colector abierto. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Debido a que la salida se desconecta cuando la señal es alta, se necesita una resistencia "pull-up" externa para garantizar que el voltaje en el colector alcance el nivel deseado para indicar un 1 lógico. Esto brinda a los ingenieros la flexibilidad de interconectar sistemas que funcionan con diferentes voltajes. El colector puede elevarse a un voltaje más alto o más bajo que el voltaje de funcionamiento del codificador (Figura 3).

Figura 3: La salida del colector se puede subir a un voltaje adecuado para interconectarse con un sistema externo. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Por otro lado, esta interfaz tiene algunas desventajas. Las resistencias "pull-up", que ya están integradas en muchos controladores disponibles en el mercado, consumen una corriente finita y, por lo tanto, disipan energía. Además, actuando en combinación con la capacitancia parásita del circuito, la resistencia puede ralentizar la transición de la salida entre los voltajes altos y bajos. La pendiente de la transición (Figura 4) se conoce como la velocidad de respuesta.

Figura 4: La resistencia "pull-up" efectivamente ralentiza la transición del voltaje de salida a medida que la salida cambia entre estados. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Al reducir la velocidad de respuesta, la resistencia "pull-up" limita efectivamente la velocidad de operación del codificador, lo que puede tener como resultado una reducción de la resolución de un codificador incremental. La reducción del valor de resistencia puede aumentar la velocidad de conmutación, pero también aumenta la disipación de potencia al consumir más corriente cuando la señal es baja.

Salidas en contrafase

Una salida en contrafase que contiene dos transistores en lugar de uno (Figura 5) puede superar la desventaja de una interfaz de colector abierto discutida anteriormente. El transistor superior reemplaza la resistencia "pull-up" y, cuando se enciende, eleva el voltaje al riel con una resistencia mínima efectiva, lo que garantiza una velocidad de respuesta más rápida. Debido a que el transistor se apaga cuando la señal de salida es baja, este "pull-up" activo también disipa menos energía que el circuito de colector abierto. Esto puede generar un tiempo de ejecución mucho mejor para dispositivos alimentados por batería.

Imagen 5: Salida de empuje y extracción (Fuente de la imagen: Same Sky)

Todos los codificadores monofásicos de la familia AMT de Same Sky contienen salidas push-pull y, por lo tanto, no necesitan resistencias pull-up para interactuar con circuitos externos. Además de mejorar la velocidad y reducir la disipación de potencia, estas salidas en contrafase también simplifican las pruebas y la creación de prototipos. Los codificadores AMT también tienen salidas de CMOS (semiconductores de metal-óxido complementario). Debido a que los valores de alto y bajo voltaje varían entre dispositivos, deberá consultar la hoja de datos para determinar cómo deben interpretarse los voltajes en la salida.

Salidas de controlador de línea diferencial

Aunque los codificadores con salidas en contrafase superan algunas desventajas del tipo de colector abierto, ambas son salidas asimétricas que enfrentan limitaciones cuando se usan con largas distancias de cableado o en un entorno que contiene grandes cantidades de ruido e interferencia eléctricos.

Con largas distancias de cableado, la amplitud de la señal se reduce y los efectos capacitivos ralentizan las transiciones de conmutación. Con una señal asimétrica, donde la señal transmitida está referenciada a tierra, esta degradación puede causar errores que conducen a un bajo rendimiento del sistema.

Además, en entornos eléctricamente ruidosos, se pueden acoplar voltajes no deseados de diferentes magnitudes a los cables, lo que hace que el receptor en un sistema asimétrico decodifique los voltajes de señal incorrectamente.

Same Sky recomienda la señalización diferencial si la longitud del cable va a ser superior a un metro. Un codificador que contiene un controlador de línea diferencial genera dos señales de salida: una coincide con la señal original, mientras que la otra es una señal exactamente opuesta o complementaria. La magnitud de la diferencia entre las dos es el doble de la señal asimétrica original, lo que ayuda a superar la degradación causada por la caída de voltaje y la capacitancia (Figura 6).

Figura 6: El controlador de línea diferencial supera la degradación de la señal. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Además, el ruido de modo común presente en ambas señales puede eliminarse por sustracción y, por lo tanto, ser ignorado por el sistema receptor (Figura 7). Las interfaces del controlador de línea diferencial se utilizan ampliamente en aplicaciones industriales y automotrices debido a sus excelentes capacidades de rechazo de ruido. Muchos modelos de encóder Same Sky se ofrecen con la opción de una salida de controlador diferencial de línea para su uso en aplicaciones exigentes.

Figura 7: El receptor diferencial ignora el ruido que aparece en ambas señales. (Fuente de la imagen: Same Sky)

En general, esta breve explicación de los tipos de salida de codificador y sus fortalezas relativas debería ayudar a los ingenieros a elegir el mejor dispositivo para su aplicación al combinar el consumo de energía óptimo con una comunicación confiable sobre la distancia de conexión aplicable y la inmunidad al ruido adecuada.