Control de velocidad de motores por PWM con 555 y MOSFET

PWM es el acrónimo de Pulse Width Modulation, en español modulación por ancho de pulso. Al principio se usaba casi exclusivamente para controlar la potencia y la velocidad de motores de corriente continua, pero hoy está en todas partes: fuentes conmutadas, reguladores de luz LED, controladores de radiocontrol y microcontroladores. En este post te explico qué es el PWM y te muestro un circuito con un 555 y un MOSFET para controlar la velocidad de motores o el brillo de lámparas de 12 V de hasta 5 A.

¿Qué es el PWM?

En lugar de bajar la tensión con una resistencia (que desperdicia energía en forma de calor), el PWM enciende y apaga la carga muy rápido, a frecuencia constante, y varía el tiempo que permanece encendida en cada ciclo. Ese porcentaje se llama ciclo de trabajo (duty cycle):

Tensión media ≈ ciclo de trabajo × V_{alimentación}

Con 12 V y un ciclo del 25 %, el motor "ve" en promedio unos 3 V; con 75 %, unos 9 V. Como el transistor trabaja casi siempre totalmente encendido o totalmente apagado, disipa muy poca potencia: por eso el PWM permite construir equipos más eficientes, compactos y livianos.

El circuito

Componentes

Ref.	Valor	Ref.	Valor
R1	2,2 kΩ	C1	1,5 nF
R2	2,2 kΩ	C2	47 nF
R3	10 Ω	C3	100 µF / 25 V
R4	100 kΩ	C4	100 nF
RV1	1 MΩ	C5	470 nF
U1	LM555	Q1	MTP3055 (MOSFET)
D1, D2	1N4148	D3	1N4007
D4, D5	BY255

(En la lista original aparecía "1N4158", que es una errata de 1N4148.)

Cómo funciona

1. El 555 trabaja como oscilador astable. El condensador C1 se carga a través de R2 y una parte de RV1 con el diodo D2, y se descarga a través de la otra parte de RV1, D1 y R1 hacia el pin 7.
2. Al girar RV1 cambia la proporción entre carga y descarga, es decir, el ancho del pulso, mientras la frecuencia se mantiene aproximadamente constante (del orden de 1 kHz con estos valores).
3. La salida del 555 (pin 3) excita la compuerta del MOSFET Q1 a través de R3 (10 Ω); R4 (100 kΩ) asegura el apagado.
4. Q1 enciende y apaga el motor o la lámpara.
5. D4 es el diodo volante: cuando el MOSFET se apaga, la bobina del motor genera un pico de tensión que D4 recircula para proteger a Q1. D5 protege también al MOSFET y C5 reduce el ruido eléctrico del motor.
6. D3 (1N4007) protege contra la inversión de polaridad y, junto con C3 y C4, filtra la alimentación del 555.

El circuito permite alimentar motores y lámparas de 12 V que no consuman más de 5 A. El MOSFET debe ir montado en un disipador.

Simulación

La simulación muestra cómo, al mover el potenciómetro, cambia el ancho de los pulsos en el pin 3 del 555 manteniendo la misma frecuencia. Es lo que verías en un osciloscopio midiendo ese pin. El análisis original se hizo con el simulador libre KTechlab.

¿Por qué no usar una resistencia o un potenciómetro?

Para bajar la velocidad de un motor de 12 V y 3 A a la mitad con una resistencia en serie, esa resistencia tendría que disipar unos 18 W en calor y además la velocidad cambiaría mucho con la carga. Con PWM, el MOSFET trabaja como interruptor: cuando está encendido su caída de tensión es mínima y cuando está apagado no circula corriente, así que la potencia perdida es muy pequeña. Además, el motor recibe pulsos de tensión completa, lo que le da mejor par a baja velocidad.

Frecuencia de PWM

Para motores se usan típicamente frecuencias de cientos de hercios a decenas de kilohercios. Frecuencias por encima de unos 20 kHz son inaudibles, pero exigen un excitador de compuerta más rápido que el 555 directo.

Montaje

• El potenciómetro RV1 puede reemplazarse en la placa por una bornera de tres terminales para cablearlo al frente de una caja.
• Usa pistas o cables gruesos para el circuito del motor (5 A).
• Monta Q1 en un disipador y aíslalo si el disipador toca la caja.
• El diseño del circuito impreso original se hizo con KiCad.

Aplicaciones

• Control de velocidad de ventiladores, bombas o motores de juguetes y maquetas de 12 V.
• Regulación de brillo de lámparas incandescentes o tiras LED de 12 V.
• Control de minitaladros de 12 V para circuitos impresos.

Solución de problemas

• El motor no arranca a baja velocidad: es normal; con ciclos muy bajos el motor no vence la fricción. Sube un poco el control.
• Zumbido audible en el motor: la frecuencia de 1 kHz es audible; puedes reducir C1 para subirla, aunque el MOSFET calentará algo más.
• El MOSFET se calienta mucho: carga mayor de 5 A, falta disipador o el diodo volante no está.
• El control no hace efecto: revisa D1, D2 y RV1.

Notas de seguridad

• Coloca un fusible de 5–6 A en la alimentación, sobre todo si usas la batería de un carro.
• Nunca omitas el diodo volante con cargas inductivas: el pico de tensión destruye el MOSFET.
• Este circuito es solo para cargas de 12 V de corriente continua; no lo uses con la red de 120 V.

Preguntas frecuentes

¿Puedo usar otro MOSFET?

Sí, por ejemplo un IRFZ44N, que soporta más corriente; con 12 V en la compuerta conduce bien.

¿Cómo funciona el 555?

Lo explico en la guía completa del NE555.

¿Se puede hacer PWM con Arduino?

Sí, con analogWrite(); empieza con prender un LED con Arduino Uno.

Conclusión

El PWM controla la potencia encendiendo y apagando la carga rápidamente, con muy pocas pérdidas. Con un 555, un MOSFET y un diodo volante puedes regular motores y lámparas de 12 V hasta 5 A de forma eficiente.

Circuito basado en electronica-electronics.com.