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ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ

Tema: Electromagnetismo Curso 3º 1ª div Prof. César Marani ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------

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ELECTROMAGNETISMO

Un imán es un material capaz de producir un campo magnético exterior y atraer el hierro (también

puede atraer al cobalto y al níquel).

Los imanes que manifiestan sus propiedades de forma permanente pueden ser naturales, como la

magnetita o artificiales, obtenidos a partir de aleaciones de diferentes metales. En un imán la

capacidad de atracción es mayor en sus extremos o polos.

Estos polos se denominan norte y sur, debido a que tienden a orientarse según los polos geográficos

de la Tierra, que es un gigantesco imán natural. Los polos iguales se repelen entre si y los polos

distintos se atraen. La fuerza de atracción o repulsión entre dos imanes es inversamente proporcional

al cuadrado de las distancia (disminuye rápidamente con la distancia).



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Desde hace tiempo es conocido que una corriente eléctrica genera un campo magnético a su

alrededor. En el interior de la materia existen pequeñas corrientes cerradas debidas al movimiento de

los electrones

que contienen los átomos, cada una de ellas origina un microscópico imán o dipolo. Cuando estos

pequeños imanes están orientados en todas direcciones sus efectos se anulan mutuamente y el

material no presenta propiedades magnéticas; en cambio si todos los imanes se alinean actúan como

un único imán y en ese caso decimos que la sustancia se ha magnetizado.

La tierra se comporta como un gigantesco imán, esto es debido entre otras cosas, a su núcleo de

hierro que produce un campo magnético.

En la superficie de la tierra, un imán se orienta en la dirección del campo magnético de la tierra, el polo

norte del imán apunta al polo norte terrestre.



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El polo norte geográfico es por tanto el polo sur magnético.

El campo magnético de la tierra ti ene un valor (0.025 mT) muy pequeño comparado con el valor de

campo de cualquier imán y el equivalente al producido por una corriente de 1 A a 1 cm. de distancia.

Este valor, aunque pequeño, debe de ser tenido en cuenta cuando medimos campos magnéticos de

baja intensidad o cuando queremos medir una corriente midiendo el campo magnético que produce.

El propiedad que define la característica magnética de un material es la permeabilidad magnética,

normalmente se define en relación al vacío y recibe el nombre de permeabilidad relativa.

Por su comportamiento cuando los introducimos en un campo magnético, podemos diferenciar 3 tipos

de materiales:

-Ferromagnéticos, son a aquellos que tienden a orientar sus dominios magnéticos en las misma

dirección que el campo magnético externo y por tanto se convierten en imanes y son atraídos por

estos los materiales ferromagnéticos más conocidos son el hierro níquel y el cobalto y las aleaciones

de ellos. Son utilizados en aquellos casos en los que necesitamos confinar el campo magnético y

aumentar la inducción magnética. Los valores de permeabilidad para estos materiales van entre los

1000000 del supermalloy utilizado en la fabricación de cabezales de lectura magnética, 100000 del

mumetal, que es una aleación utilizada frecuentemente como apantallamiento del campo magnético,

en torno a 10000 de la ferritas y 5000 del hierro. Son los materiales de mayor interés tecnológico para

las aplicaciones ectrotécnicas, transformadores, motores.



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-Paramagnéticos, son aquellos en los que el movimiento natural de las moléculas por la temperatura

tiende a compensar a tendencia de las moléculas a orientarse con el campo, este tipo de materiales

no manifiesta ningún efecto cuando son puestos cerca de un imán. Tiene poco interés tecnológico

para aplicaciones magnéticas.

-Materiales diamagnéticos: son aquellos imanes cuyas moléculas tienden a orientarse en sentido

contrario al campo externo que se les aplica y por tanto son rechazados por un imán. Los materiales

más conocidos con esta propiedad son el bismuto y el HOPG (grafito pirolítico altamente orientado).

Los valores típicos de permeabilidad relativa para estos materiales son extremadamente bajos

alrededor de − 400×10−6 para el HOPG y unas 20 veces menos para el resto de los materiales. Como

estos materiales se oponen al campo externo y son rechazados por los imanes, se puede hacer que

floten en pr esencia un campo externo fuerte.



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Curva de Histéresis: Es la curva cerrada obtenida al medir la inducción B o la imantación M

cuando se somete a un campo magnético H describiendo un ciclo completo entre los límites

definidos por la inducción o la imantación de saturación del primer cuadrante al tercer

cuadrante

Entrehierro: Es el espacio magnético entre los polos de un imán, que puede ser rellenada con

cualquier material no magnético, como latón, madera, o plástico.

Remanencia: Es la imantación residual del imán que ha sido imantado hasta la saturación en

un circuito cerrado.

Cuando sometemos un material ferromagnético a un campo magnetizante vamos obteniendo una

inducción magnética proporcional al campo y cada vez mayor, hasta que llegados a un punto la

inducción magnética sube cada vez más lentamente y finalmente casi no sube más, en ese momento

decimos que el material magnético ha llegado a la saturación. Si a partir de ese punto bajamos el

campo magnetizante y vemos que la inducción magnética para el mismo valor de campo ya no

coincide con el valor que obtuvimos en la subida .Cuando el campo magnético se hace cero, el

material todavía conserva un magnetismo remante, este el campo magnético que genera un imán. Si

ahora aplicamos un campo magnetizante en sentido contrario al anterior vemos que la inducción

magnética empieza a bajar hasta que se hace cero, en ese momento hemos desimanado el imán.

Esta curva es simétrica en los otros dos cuadrantes.

No hay que hacer trabajar a los materiales magnéticos en saturación, en el caso de un transformador

una ve z que se satura ya no es capaz de seguir transfiriendo potencia y en el caso de un motor ya no

suministra más par.

Al someter un material magnético a este ciclo que hemos visto, se producen perdidas debidas a la

energía necesaria para mover los dominios magnéticos, esta energía se transforma en calor y recibe

el nombre de pérdidas por hi stéresis y son proporcionales a la anchura del ciclo de histéresis. Son

perdidas en forma de calor en los núcleos de los motores y transformadores.



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En función del área encerrada de la curva de histéresis, los materiales se pueden clasificar en:

Materiales blandos:

Son los que se utilizan para la fabricación de los núcleos de los transformadores y moto res

tiene unas curvas de histéresis muy estrechas y unos valores de saturación elevados, tienen pocas

perdidas por histéresis y unas permeabilidades medias 1000-5000 dentro de estos materiales

encontramos las ferritas y los distintos ti pos de hierro y aleaciones de hierro con otros metales.

También están en este gr upo las ferritas que se utilizan para altas frecuencias.

Materiales duros:

Estos materiales tienen curvas de histéresis muy grandes y abiertas, por tanto tienen una

remanencia y campo coercitivo muy elevado, lo cual les hace muy adecuados para la fabricación de

imanes, además interesa que la pendiente de la curva en el punto de remanencia sea lo mas plana

posible, lo cual hace que el imán no pierda propiedades con facilidad.

El imán de Ferrita de Bario y Estroncio son componentes económicos y de calidad que se pueden

encontrar en aplicaciones tan diversa como automatización, control, medición, etc.

Electromagnetismo

Introducción

• Las corrientes producen campos magnéticos, ley de Ampere

• Fuerza de Lorentz los imanes producen fuerza sobre los conductores por los que circula corriente

• Las corriente eléctricas generan campos magnéticos a su alrededor.

• Para determinar su sentido se usa la regla de la mano derecha

La ley de Ampere establece la relación existente entre la electricidad y el magnetismo. Un campo

magnético produce una fuerza sobre un conductor por el que circula una corriente.



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Los primeros experimentos en los cuales se puso de manifiesto que la corriente eléctrica produce un

campo magnético los realizo Oersted en 819. En estos experimentos descubrió que si colocamos una

brújula cerca de un conductor por el cual circula una corriente eléctrica, la aguja de la brújula se desvía

en una dirección y si invertimos la corriente la aguja se desvía en dirección contraria. La conclusión

que sacó de sus experimentos es que las corrientes eléctricas producen campos magnéticos a su

alrededor. Para determinar el sentido del campo magnético producido por un conductor por el que

circula una corriente, ponemos la mano derecha como ilustra la figura con el pulgar apuntando en la

dirección de la corriente y la dirección del resto de los dedos nos indican la dirección del campo

magnético. Si la corriente atraviesa una espira o espiras circulares entonces ponemos los dedos en la

dirección de la espiras y es el dedo pulgar el que nos indica la dirección del campo magnético.

Fuerza entre una corriente y un imán

• Los campos magnéticos producen fuerzas sobre la corriente

• El campo y la corriente tiene que ser perpendiculares

• La fuerza es perpendicular al campo y la corriente

La siguiente experiencia nos muestra que si ponemos un conductor por el cual circula corriente en un

lugar donde exista un campo magnético aparece una fuerza que empuja al conductor en dirección

perpendicular al campo y a la corriente, es la fuerza de Lorentz. Esta interacción entre la corriente

eléctrica y al campo magnético la base del funcionamiento de gran mayoría de la maquinas eléctricas

y es el principio más utilizado para producir movimiento a partir de la electricidad.



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Galvanómetro

• Mide la intensidad de una corriente eléctrica

El galvanómetro es un aparato de medida que sirve para medir corrientes eléctricas, se basan

directamente en la fuerza de Lorentz tenemos una serie de espiras introducidas en el interior de un

campo magnético, el cual es constante en la zona en la que la espira se mueve.

La parte delante y trasera de la bobina está paralela al campo por lo cual no sufre ninguna fuerza. El

lado de la bobina que está perpendiculares al campo que producen fuerzas, en el lado derecho, como

la corriente va hay afuera, se produce una fuerza hacia arriba, y en el lado contrario como la corriente

va hacia dentro, se produce una fuerza hacia abajo. Como resultado de estas dos interacciones,

tenemos un par de fuerza s, que hace que la boina gire en el sentido de las agujas del reloj



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Como ya sabemos una corriente eléctrica son cargas en movimiento, y no necesariamente tienen que

esta en el interior de un conductor. Puede ser por ejemplo un haz de electrones que están saliendo de

un metal emisor incandescente. La fuerza de Lorentz es una fuerza que se produce sobre una carga

en movimiento dentro de un campo magnético, si esa carga esta dentro de un conductor el conductor

también se mueve, pero no es necesario que exista un conductor . Por ejemplo en un tubo de vacío en

el cual existan cargas en movimiento, estas cargas pueden ser desplazadas por medio de un campo

magnético. Un ejemplo de esto son los tubos de televisión, en el cual, el haz de electrones, va

recorriendo la pantalla. A lo largo del tubo hay coloca das unas bobinas que producen un campo

magnético que es el que desplaza el haz de electrones, estas bobinas reciben el nombre de bobinas

de deflexión.

Si unimos los dos principios que hemos expuesto anteriormente:

- Las corrientes eléctricas producen campos magnéticos.

- Los campos magnéticos interactúan con las corrientes eléctricas

Llegamos a la conclusión de que las corrientes eléctricas producen fuerzas entre si. De manera que

podemos ser capaces de producir movimiento, solo con la electricidad sin necesidad de imanes.

Campos magnéticos dependientes del tiempo

•Ley de Faraday

•Ley de lenz

• Corrientes de Foucault



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Hasta ahora todos los principios expuestos, se refieren a campos o corrientes estáticas, es decir, no

varían con el tiempo, son corrientes continuas y los imanes no se mueven ni cambian de posición.

Cuando el campo magnético varia, bien porque aumenta o disminuye su valor, o bien cuando cambia

su dirección aparece un nuevo efecto que es la inducción electromagnética. La inducción

electromagnética se manifiesta en dos fenómenos complementarios que son:

-La ley de Faraday

-La ley de Lenz

Ley de Faraday

•Los campo magnéticos variables, inducen tensiones en los conductores.

• Cuanto mayor es la velocidad de variación mayor es la tensión inducida.

La ley da Faraday nos dice que si cambia el flujo del campo magnético que atraviesa un conductor se

produce una tensión en los extremos de este. Esto lo podemos apreciar tal como lo vemos en la

imagen si a una bobina le acercamos un imán, se producirá una tensión. Si el campo magnético lo

producimos con otra bobina lo que sucede es que la primera bobina, produce un campo magnético, si

variamos la corriente que circula por la primera bobina también variamos el campo magnético que esta

produce y por tanto en la segunda bobina se induce una tensión que podemos medir con el voltímetro.

Como solo se induce tensión si hay cambio en el campo magnético, si a la primera bobina la

excitamos con un generador de CC, solo habrá cambios en la tensión inducida cuando activamos y

desactivamos la tensión. La tensión inducida será mayor cuanto mayor es la velocidad con la que

varía el campo.

Ley de Lenz

• La variación del campo magnético en un circuito cerrado, produce una corriente que tiene a anular el

cambio.



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Inducción magnética

Las corrientes de Foucault (eddy current) son corrientes que se producen en el interior de un material

que sea conductor, cuando este es sometido a un campo magnético variable. Las corrientes circulan

por el interior del conductor produciendo un calentamiento de este. Estas corrientes son perdidas de

rendimiento en la maquinas eléctricas y por tanto se hacen diseños para que estas corriente no

existan o queden minimizadas. Las soluciones más normales pasan por utilizar núcleos magnéticos

con forma de chapas apiladas que tienen oxidada una de sus caras de manera que no circule

corriente en el sentido del apilado. Otra solución es utilizar materiales que manteniendo su

permeabilidad sean malos conductores. En alta frecuencia las pérdidas son mucho mayores y se

recurre a las ferritas que son aglomerados de partículas que son malos conductores de la electricidad

y tienen una elevada permeabilidad.

No siempre se intenta reducir las corrientes de Foucault, hay casos en los cuales tiene utilidad, en el

caso de algunos motores de inducción se diseñan específicamente par a que hay corrientes de

inducción. También son utilizadas para producir calor en los sistemas de calentamiento por inducción.

Otro campo de utilización es los sistemas de frenado por inducción (frenos eléctricos) .



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MOTORES

Tipos de motores

• Motor de continua –Universal – Paso a paso

• Motores de alterna – Síncronos – Asíncronos

La primera gran clasificación de los motores es entre motores de alterna y motores de continua. En instrumentación el motor más utilizado es el motor de continua porque el control para estos motores es más simple y preciso que en el caso de los motores de alterna. La potencia típica que podemos manejar con motores de continua ronda en el mejor de los casos en torno a 300W. En el caso de los motores de alterna el rango de potencias es mucho mayor pudiendo llegar en el caso de los motores síncronos a los megavatios. Otra gran diferencia entre los motores de continua y de alterna es el mantenimiento en el caso de los motores de alterna, al no tener escobillas y funcionar en la mayoría de los caso a velocidad constante tienen un mantenimiento muy bajo y además son más baratos de construir. Para hacer controles de posición se utilizan casi siempre motores de continua, porque aunque es posible hacer control de posición con motores de alterna la circuitería necesaria es bastante complicada.

Partes de un motor

• Rotor parte móvil

•Estator parte fija

Un motor independientemente del tipo que sea, siempre tiene un rotor y un estator.

El rotor es la parte que gira, es la parte que se mueve.

El estator es la parte que permanece fija.

Como ya hemos comentado el movimiento en un motor se produce por la interacción entre dos

campos magnéticos, estos campos magnéticos, pueden proceder de distintas fuentes.

Uno de los campos puede estar producido por imanes fijos y el otro por una bobina por la cual circula

una corriente, como en el caso del motor de continua.

En otros casos los dos campos magnéticos están producidos por bobinas, como en el caso de la

mayoría de los motores de alterna.

• Inductor produce el campo

– Es la parte a la cual se le aplica tensión

– Genera el campo magnético

• Inducido recibe el campo

– Interactúa con el campo magnético

Un motor funciona por la interacción entre dos campos magnéticos. Por un lado tenemos una corriente

circulando por un conductor que produce una corriente eléctrica, la cual a su vez produce un campo



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magnético (campo magnético inductor), el cual por inducción produce una fuerza electromotriz en el

inducido.

Definiciones

Los parámetros que normalmente podemos encontrar en las hojas de características de un motor son:

Velocidad en vacío: es la velocidad que alcanza el motor sin carga cuando le aplicamos la tensión

nominal.

Par nominal: es el para qué puede suministrar de modo constante

Par de arranque: el par máximo que puede suministrar el motor en el arranque

Corriente de arranque: es la corriente que consume el motor durante el arranque puede ser unas 10

veces la nominal.

Corriente nominal: corriente máxima en modo continuo

Motores de continua

• Imán permanente

• Estator bobinado

– Conexión independiente

– Conexión serie

– Conexión compound

El más utilizado en instrumentos electrónicos es el motor de imanes permanentes, los otros dos se

utilizan en potencias mayores o cuando necesitaos más par , actualmente con la aparición de los

imanes de neodimio se ha aumentado considerablemente el rango de aplicación de los motores de

imán permanente.

En los motores de estator bobinado, el campo magnético estático es producido por unos bobinados en

lugar de por un imán, por tanto estos bobinados deben de ser excitados para el funcionamiento del

motor, según como conectemos los bobinados tenemos distintas configuraciones, la más utilizada en

la conexión en serie porque permite que el motor funcione en alterna.



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Reconocemos las siguientes partes:

• Estator formado por imanes permanentes

• El rotor es un bobinado

• Colector de delgas y escobillas

Es el motor más utilizado en pequeñas aplicaciones, es fácil de fabricar, barato, oferta un alto par en

poco tamaño.

Inconvenientes, la vida útil en condiciones duras de trabajo es bastante corta, debido a las escobillas.

El estator está formado por unos imanes permanentes que van fijos sobre la carcasa, el rotor está

formado por una serie de bobinados que son a los que se les aplica corriente.

EL funcionamiento se basa en la fuerza de Lorentz

Colector de delgas y escobillas

• Cambian la bobina a la cual se le aplica excitación

• El colector gira junto con el rotor

• La escobillas permanecen fijas

Como hemos visto un motor de continua necesita para su correcto funcionamiento que el campo

aplicado a las bobinas vaya siendo cambiado cada vez que el campo de la bobina se alinea con el del

imán y deja de producirse par, el mecanismo que hace que la corriente en las bobinas se conmute,

recibe el nombre de colector de delgas y escobillas.

El colector de delgas girará junto con el rotor, mientras las escobillas permanecen fijas y rozan sobre

el colector, el colector de delgas esta partido en varias laminas cada una de las cuales se le conecta

una bobina de rotor, al ir girando junto con este, va cambiando la bobina a la cual se le aplica la

excitación.

Mantenimiento

• Cambio de escobillas

• Torneado del colector de delgas

• Bobinado

La avería más frecuente en los motores de corriente continua es el deterioro de las escobillas, cuando

un motor tiene las escobillas deterioradas, presenta dificultades en el arranque, aunque una vez que

ha conseguido arrancar se mantiene en funcionamiento. Cuando las escobillas están muy gastadas el

motor separa de manera intermitente, ha llegado el momento de cambiar las escobillas.

Otra avería frecuente es el desgaste del colector de delgas, en este caso el motor produce muchas chispas durante su funcionamiento, desgasta las escobillas muy rápidamente y se calienta, la solución pasar por tornear el colector de delgas para que vuelvan a estar todas a la mima altura.



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Otra avería es la interrupción de las bobinas, frecuentemente cerca del colector esto tiene difícil reparación. Es motor de alterna más ampliamente utilizado en motores para pequeños electrodomésticos, batidores, taladradores, seca pelos, molinillos etc. Giran a gran velocidad y tiene un par de arranque muy elevado. Este motor es un motor de continua en el cual el estator también esta bobinado y puesto en serie con el bobinado del rotor, esto le permite poder funcionar también el alterna. Al ser un motor de continua, su velocidad de giro depende de la tensión que le apliquemos, esto hace que controlar su velocidad de giro sea muy simple, basta con controlar la tensión que se la aplica al motor, esto puede hacerse fácilmente con vaciadores del Angulo de fase. Frente a otros motores de alterna que tienen bajos regímenes de revolución es, en el motor universal se pueden conseguir grandes velocidades.

Motor brushless de continua

• No tiene colector de delgas ni escobillas

• La conmutación se ha electrónicamente

• Llevan unos sensores de campo magnético

• Mayor par

• Mayor velocidad de giro

Puede suministrar un par muy elevado a poca velocidad, al carecer de colector de delgas y escobillas

las duración de motor es mucho mayor sobre todo en condiciones de trabajo duras.

Anualmente se están utilizado mucho, gracias al abaratamiento de la electrónica y los sensores que

son necesarios para su funcionamiento, y al gran auge de los imanes de tierras raras. Se usan mucho

en ventiladores de PC, motores de discos duros y lectores de CD y DVD, en estos la electrónica va

integrada en el ventilador, por lo que externamente presentan el mismo aspecto que los motores de

continua.

Tienen un amplio margen de velocidad de funcionamiento pueden trabajar a bajas revoluciones sin

problemas.

Pueden alcanzar velocidades de rotación muy elevadas gracias a la conmutación electrónica.



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La construcción mecánica de un motor brushless es distinta de los motores de continua, en estos

motores, el rotor es el imán permanente y el estator está formado por las boinas que producen la

excitación, lógicamente, no tiene ni colector de delgas, ni escobillas y la función que antes realizaban

estos elementos es sustituido por un circuito electrónico, mas unos sensores de campo magnético

(Hall) para conocer la posición del imán permanente y aplicar la excitación a la bobina apropiada.

Externamente esos motores presentes 3 hilos gordos, que corresponde a las tres boinas de excitación,

y luego 5 hilos más para los sensores de campo, 2 para alimentación y uno más para cada sensor lo

cual hace un total de 8 cables.

También se puede hacer el control del motor sin utilizar los sensores hall, en este caso el momento en

el cual hay que aplicar la tensión a las bobinas, se decide mirando la tensión inducida en el bobinado

que no está excitado.

Motor paso a paso

• Andan un paso por pulso.

• Suministra par estando parados.

• Pueden quedar enclavados en una posición.

Los motores paso a paso son ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren

movimientos muy precisos.

La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada

pulso que se le aplique.

Este paso puede variar desde 90°, hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8°, es decir, que se

necesitarán 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro

completo de 360°.

Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente

libres. Si una o más de sus bobinas están energizada, el motor estará enclavado en la posición

correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de

sus bobinas.

Son muy utilizados en impresoras y sistemas de posicionamientos, puesto que con ellos se pueden

hacer sistemas de control de posición barato y fiable.

Una aplicación típica son los relojes, donde un oscilador con cristal de cuarzo suministra los pulsos al

motor paso a paso que mueve las manecillas.

Tipos de motores paso a paso

Bipolar

Unipolar



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El motor paso a paso bipolar, es de construcción más simple, externamente presenta cuatro hilos,

para hacer funcionar el motor necesitamos un driver que sea capaz de invertir la polaridad en los

bobinados.

En el motor unipolar, no es necesario que el driver invierta la tensión en las bobinas y por tanto la

electrónica para hacer el control es más sencilla La toma central de los bobinados se conecta al

positivo de la alimentación, y el driver se encarga de ir poniendo a negativo cada uno de los extremos

finales de los bobinados en la secuencia correcta para hacer funcionar el motor.

Podemos saber de qué tipo es un motor paso a paso, contando el número de cable que salen del si

tiene cuatro es bipolar y si tiene cinco o seis es unipolar.

Con un controlador para motores unipolares, solo podemos manejar motores unipolares, con un driver

bipolar podemos manejar los dos motores.

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