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INSTITUTO NACIONAL TECNOLOGICO DIRECCION GENERAL DE FORMACION PROFESIONAL DEPARTAMENTO DE CURRICULUM Manual para el participante Electrónica de potencia

ESPECIALIDAD: ELECTRONICA

Noviembre , 2008 INSTITUTO NACIONAL TECNOLOGICO DIRECCION DE FORMACION PROFESIONAL 1

Unidad de competencia:  Programador e instalador de sistema de control electrónico Industrial. Elementos de competencia:  Construcción de circuitos electrónicos de Potencia.

Noviembre, 2008

ÍNDICE 2

I. INTRODUCCION...............................................................................................................5 II. OBJETIVO GENERAL.....................................................................................................5 III. OBJETIVOS ESPECIFICOS............................................................................................5 RECOMENDACIONES GENERALES.................................................................................6 UNIDAD I: DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTENCIA.......................................7 1. Diodos y transistores de potencia........................................................................................8 1.1 El diodo de potencia..........................................................................................................8 1.2 El transistor de potencia..................................................................................................10 2. Transistores MOSFET (Metal – Oxide Semiconductor FET)...........................................12 2.1 Teoría y operación del MOSFET....................................................................................12 2.2 Tipos de MOSFET..........................................................................................................13 2.3 Características Eléctricas y Físicas.................................................................................13 2.4 El transistor MOSFET como interruptor........................................................................13 2.5 Comprobación del MOSFET canal N y canal P............................................................14 3. SCR...................................................................................................................................16 3.1 Teoría y operación de los SCR........................................................................................16 3.2 Características eléctricas y físicas...................................................................................16 3.3 Circuitos comunes de control de compuerta...................................................................18 3.4 Aplicaciones prácticas con SCR.....................................................................................19 3.5 Comprobación de SCR....................................................................................................20 4. TRIAC...............................................................................................................................21 4.1 Teoría y operación de los TRIAC..................................................................................21 4.2 Características eléctricas y físicas...................................................................................22 4.3 Métodos de disparo de los TRIAC..................................................................................23 4.4 Aplicaciones prácticas con TRIACS...............................................................................24 4.5 Comprobación de TRIACS.............................................................................................24 5. DIACS...............................................................................................................................25 5.1 Teoría y operación del DIACS........................................................................................25 5.2 Características eléctricas y físicas...................................................................................25 5.3 Los DIACS como dispositivos de disparo de los TRIACS............................................26 5.4 Comprobación de DIACS...............................................................................................26 6. SIDAC, IGBT, SBS, SUS.................................................................................................26 7. Dispositivos opto electrónicos de potencia.......................................................................30 7.1 Teoría y operación...........................................................................................................30 7.2 Acoplamientos ópticos....................................................................................................31 EJERCICIOS DE AUTO EVALUACION............................................................................37 UNIDAD II: SISTEMAS DE CONTROL ELECTRÓNICO CON DISPOSITIVOS SENSORES, ACTUADORES Y CORRECTORES FINALES...........................................38 1. Transductores....................................................................................................................38 1.1 Transductores mecánicos................................................................................................38 1.1.1 Potenciómetros............................................................................................................38 1.1.2 Transformadores diferenciales de variación lineal (LVDT).........................................40 1.1.3 Tacómetros...................................................................................................................42 2. Transductores de presión y esfuerzo.................................................................................42 2.1 Tubos de Bourdon...........................................................................................................43 2.2 Fuelles.............................................................................................................................44

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2.3 Galgas..............................................................................................................................45 3. Transductores térmicos.....................................................................................................47 3.1 Termopares......................................................................................................................47 3.2 RTD.................................................................................................................................48 3.3 Termistores y Detectores Resistivos de Temperatura ( RTD )........................................50 3.4 Otros transductores de temperatura.................................................................................52 4. Foto celdas y dispositivos fotoeléctricos.........................................................................53 4.1 Celdas fotovoltaicas........................................................................................................53 4.2 Celdas fotoconductivas...................................................................................................55 4.3 Fototransistores y diodos Emisores de Luz.....................................................................57 4.4 Fibras ópticas.................................................................................................................59 5. Sensores............................................................................................................................61 5.1 Sensores ultrasónicos......................................................................................................62 6. Transductores de humedad................................................................................................63 6.1 Higrómetros resistivos....................................................................................................64 6.2 Sicrómetros.....................................................................................................................64 7. Válvulas............................................................................................................................65 7.1 Válvulas solenoide..........................................................................................................65 7.2 Válvulas de dos posiciones manejadas por un motor eléctrico.......................................66 7.3 Válvulas de posición proporcional manejadas por un motor eléctrico...........................67 7.4 Válvulas electro neumáticas............................................................................................69 7.5 Válvulas electro hidráulicas............................................................................................72 8. Relevadores y Contactores................................................................................................74 8.1 Control de encendido, apagadores de corriente a una carga...........................................74 8.2 Histéresis de los relés......................................................................................................75 8.3 Conmutación entre delta y estrella por contactor trifásico.............................................76 9. Tiristores como dispositivos de corrección final...............................................................77 10. Servomotores de AC y servomotores de DC..................................................................79 EJERCICIOS DE AUTO EVALUACION............................................................................82 UNIDAD III: CONVERTIDORES ELECTRO ENERGÉTICOS AC/DC, AC/AC, DC/DC, Y DC/AC...............................................................................................................................83 1. Introducción a los sistemas convertidores Electro energéticos.........................................83 2. Convertidor AC / DC........................................................................................................83 3. Convertidor AC/AC..........................................................................................................84 4. Convertidor DC/DC.........................................................................................................84 5. Convertidor DC/AC..........................................................................................................87 EJERCICIOS DE AUTO EVALUACION............................................................................90 I. Indique que tipo de convertidor es el siguiente:................................................................90 GLOSARIO..........................................................................................................................91 BIBLIOGRAFIA..................................................................................................................92

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I. INTRODUCCION El manual del participante “Electrónica de potencia” pretende que los(as) participantes adquieran las destrezas y habilidades necesarias para comprobar y construir circuito electrónicos a base de dispositivos de potencia. El manual contempla tres unidades modulares, presentada en orden lógico que significa que inicia con la introducción a dispositivos de potencia para luego llegar hasta los convertidores electro energéticos. El manual del participante esta basado en sus módulos y normas técnicas respectivas y corresponde a la unidad de competencia “Programador e instalador de sistema de control electrónico Industrial” de la especialidad de técnico en electrónica. Se recomienda realizar las actividades y los ejercicios de auto evaluación para alcanzar el dominio de la competencia: Programador e instalador de sistema de control electrónico Industrial, para lograr el objetivo planteado, es necesario que los(as) y las participantes tengan en cuenta el principio de funcionamiento de los dispositivos de potencia.

II. OBJETIVO GENERAL Comprobar adecuadamente sistemas de control electrónico industrial mediante el procedimiento específico.

III. OBJETIVOS ESPECIFICOS  Comprobar correctamente dispositivos electrónicos de potencia según aplicaciones técnicas.  Comprobar correctamente sistemas de control para la manipulación de las variables físicas presentes en la industria cumpliendo normas específicas.  Comprobar correctamente los diferentes tipos de Sistemas Convertidores Electro_ energéticos, según sus características específicas.

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RECOMENDACIONES GENERALES 1. Lea y analice detenidamente los temas desarrollados en este manual. 2. Prepare el puesto de trabajo para realizar la comprobación de los diferentes dispositivos de potencia, sistema de control y sistemas convertidores. 3. Seleccione el equipo adecuado para realizar las diferentes comprobaciones de forma ordenada. 4. Ubique el código que las identifican como tal y determine las distribuciones de sus pines en el manual NTE.

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UNIDAD I: DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTENCIA Existen numerosas operaciones industriales que requieren la entrega de una cantidad variable y controlada de energía eléctrica cuatro de las más comunes de estas operaciones son: 1. 2. 3. 4.

Alumbrado. Control de Velocidad de Motores. Soldadura Eléctrica. Calentamiento Eléctrico.

Estas pueden lograrse usando transformadores variables y reóstatos para controlar la cantidad de corriente entregada a la carga, sin embargo estos elementos presentan ciertos inconvenientes que los hacen muy difícil de usar para ciertas aplicaciones. Por ejemplo: 1. Son voluminosos y caros. 2. Requieren Mantenimiento. 3. Desperdician Grandes Cantidades de Energía. Para eliminar estas fallas han surgido dispositivos electrónicos modernos para el control de energía suministrada entre ellos están los diodos y transistores de potencia (BJT y MOSFET) y los llamados tiristores, de estos últimos, podemos mencionar los siguientes: SCR. TRIACS DIACS Entre las principales ventajas de estos dispositivos se encuentran: 1. Pequeños y Relativamente Baratos. 2. No Requieren de Mantenimiento. 3. No Desperdician Energía. Algunos de estos dispositivos como el SCR y el TRIACS pueden manejar cientos de amperios en circuitos que operan a voltajes mayores de los 1000 V, los que los hace muy importantes en el control industrial moderno. Otros tipos de dispositivos para el control de la potencia entregada a la carga los conforman los dispositivos opto electrónicos de los cuales se hablara en su momento.

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1. Diodos y transistores de potencia 1.1 El diodo de potencia Uno de los dispositivos más importantes de los circuitos de potencia son los diodos, aunque tienen, entre otras, la siguiente limitación: son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en sentido contrario al de conducción. El único procedimiento de control es invertir el voltaje entre ánodo y cátodo. Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conducción, deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de tensión. En sentido inverso, deben ser capaces de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad. Según grafica 1 Curva Característica de un diodo

Grafica 1 Donde: VRRM: tensión inversa máxima VD: tensión de codo. Tipos de diodos de potencia DIODOS RECTIFICADORES PARA BAJA FRECUENCIA

Aplicaciones: - Rectificadores de red - Baja frecuencia 50 hz DIODOS RAPIDOS (FAST) Y ULTRARAPIDOS (ULTRAFAST)

Aplicaciones: - Conmutacion a alta frecuencia (> a 20 Khz) - Inversores - UPS

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-

Accionamiento de motores CA

DIODOS SCHOTKKY

Aplicaciones: - Fuentes conmutadas. - Convertidores. - Diodos de libre circulación. - Cargadores de baterías. DIODOS PARA APLICACIONES ESPECIALES (ALTA TENSIÓN):

Aplicaciones: - Aplicaciones de alta tensión. DIODOS PARA APLICACIONES ESPECIALES (ALTA CORRIENTE):

Aplicaciones: - Aplicaciones de alta corriente.

Figura 1 Aplicaciones Diodos rectificadores empleados como convertidores AC-DC Un circuito rectificador por diodos (Figura 2) convierte voltaje de CA en un voltaje fijo de CD. El voltaje de entrada al rectificador puede ser monofásico o trifásico. El flujo de energía únicamente es hacia la derecha. Convertidor rectificador monofásico

Figura 2 9

1.2 El transistor de potencia Se le llama transistor de potencia al transistor que tiene una intensidad grande lo que corresponde a una potencia mayor de 0,5 W. El funcionamiento y utilización de los transistores de potencia es idéntico al de los transistores normales, teniendo como características especiales las altas tensiones e intensidades que tienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar. Tipos de transistores de potencia Entre los más comunes podemos mencionar:  

Transistores bipolares. Transistores unipolares o FET (Transistor de Efecto de Campo).

La diferencia entre un transistor bipolar y un transistor unipolar o FET es el modo de actuación sobre el terminal de control. En el transistor bipolar hay que inyectar una corriente de base para regular la corriente de colector, mientras que en el FET el control se hace mediante la aplicación de una tensión entre puerta y fuente. Esta diferencia viene determinada por la estructura interna de ambos dispositivos, que son substancialmente distintas. Es una característica común, sin embargo, el hecho de que la potencia que consume el terminal de control (base o puerta) es siempre más pequeña que la potencia manejada en los otros dos terminales. En resumen, destacamos tres cosas fundamentales:   

En un transistor bipolar IB controla la magnitud de IC. En un FET, la tensión VGS controla la corriente ID. En ambos casos, con una potencia pequeña puede controlarse otra bastante mayor.

Transistores BJT Los transistores de potencia disipan grandes cantidades de potencia en sus uniones entre colector y base. La potencia disipada se convierte en calor, que eleva la temperatura de la unión (TJ). Dicha temperatura no debe superar un máximo especificado que para el silicio es de 150ºC a 200ºC. El fabricante de un transistor de potencia suele especificar, la máxima disipación de potencia a una temperatura ambiente TA (que por lo general es de 25ºC) e intenta disminuir la potencia disipada mediante el diseño del encapsulado.

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Ejemplo: Encapsulado tipo TO3 Figura 3 También se puede reducir considerablemente el calor generado al aire libre mediante el uso de disipadores de calor (superficies metálicas extendidas) y aletas (Figura 3). Modos de trabajo Existen cuatro condiciones de polarización posibles. Dependiendo del sentido o signo de los voltajes de polarización en cada una de las uniones del transistor pueden ser : Grafico 2

Grafico 2 Modos de trabajo Región activa directa: Corresponde a una polarización directa de la unión emisor - base y a una polarización inversa de la unión colector - base. Esta es la región de operación normal del transistor para amplificación. Región activa inversa: Corresponde a una polarización inversa de la unión emisor - base y a una polarización directa de la unión colector - base. Esta región es usada raramente. Región de corte: Corresponde a una polarización inversa de ambas uniones. La operación en ésta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo apagado, pues el transistor actúa como un interruptor abierto (IC 0). Región de saturación: Corresponde a una polarización directa de ambas uniones.La operación en esta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo encendido, pues el transistor actúa como un interruptor cerrado (VCE 0).

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Un transistor funciona como un interruptor si se hace pasar rápidamente de corte a saturación y viceversa. En corte es un interruptor abierto y en saturación es un interruptor cerrado. Grafico 3 A lgunos ejemplos son:

Grafico 3 Funcionamiento de un transistor La principal aplicación de transistor como interruptor es en los circuitos e integrados lógicos, allí se mantienen trabajando los transistores entre corte o en saturación, en otro campo por ejemplo en la industria se aplican para activar y desactivar relés, en este caso como la carga es inductiva (bobina del relé) al pasar el transistor de saturación a corte se presenta la "patada inductiva" que al ser repetitiva quema el transistor se debe hacer una protección con un diodo en una aplicación llamada diodo volante o Damper. 2. Transistores MOSFET (Metal – Oxide Semiconductor FET) 2.1 Teoría y operación del MOSFET Se puede encontrar MOSFET de baja potencia en algunos circuitos discretos pero su uso principal es en circuitos integrados, para aplicaciones de alta potencia esto se encuentran ampliamente utilizados en aplicaciones que controlan motores, lámparas, disqueteras, impresoras, fuentes de alimentación, etc. En estas aplicaciones, el MOSFET se denomina FET de Potencia.

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2.2 Tipos de MOSFET Existen básicamente dos tipos de dispositivos MOSFET: 1. Canal n 2. Canal p El símbolo grafico para estos MOSFET se muestra a continuación (Figura 4), con el nombre de cada una de sus terminales.

Figura 4 2.3 Características Eléctricas y Físicas Cuando la tensión de puerta es nula, la corriente entre el drenador y la fuente es nula, por esta razón el MOSFET esta en normalmente en corte cuando el V GS = 0V. La única forma de obtener corriente es mediante una tensión de puerta simbolizada en la mayoría de los casos como V GS(on), cuando VGS es menor que VGS(on) la corriente de compuerta es nula. Pero cuando V GS es mayor que VGS(on) se conecta la fuente al drenador y la corriente de drenador es grande. Los MOSFET tienen un aislante que impide la corriente de puerta para tensiones tanto positivas como negativas. Esta capa debe ser capas de proporcionar mas control sobre la corriente de drenaje pero puede destruirse si se aplica una tensión puerta – fuente excesiva Por ejemplo: Un 2n7000 tiene una VGS(max) de +/- 20V. Si la tensión puerta – fuente es mas positiva que 20V o mas negativa que -20V, esta capa se destruirá. Aparte de la aplicación excesiva de este voltaje, esta capa se puede destruir si se retira o se inserta un MOSFET en un circuito mientras la alimentación esta conectada. De cualquiera de estas dos maneras se destruirá el MOSFET. 2.4 El transistor MOSFET como interruptor Una característica importante de los MOSFET es que pueden desconectar una corriente mas rápidamente esto es entre 10 a 100 veces más rápido que un BJT.

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Los circuitos integrados digitales son dispositivos de baja potencia porque pueden proporcionar solo pequeñas corrientes de carga. Si se desea usar la salida de un CI para excitar una carga que necesita una gran corriente, se puede emplear un FET de potencia como interfase (Figura 5a), ejemplo:

Figura 5.a

Cuando la salida digital es alta, el FET de potencia actúa como un interruptor cerrado, en el caso del motor este tiene una tensión de 12V a través de el, lo cual lo hace girar, cuando la salida digital es baja el FET esta abierto y el motor para de girar (Figura 5b).

Figura 5.b

2.5 Comprobación del MOSFET canal N y canal P Igual que el transistor podemos numerar las patillas: poniendo al MOSFET en una posición determinada Grafico 4:

Grafico 4 Representación de un MOSFET

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Sin embargo no hay que tratar de comparar las terminales del MOSFET con la de un transistor ya que ellas cumplen con diferentes funciones y lo mejor para ver los nombres de las terminales es un libro de reemplazo para estar seguro. Una vez encontrada esta información las mediciones se pueden hacer siguiendo estos pasos:

MOSFET de canal N 1. Cortocircuite por medio de una de las puntas del multímetro todas las terminales, esto se hace para eliminar cualquier rastro de medición echa anteriormente. 2. Coloque el borne negativo del multímetro en la terminal de fuente, y con el borne positivo del multímetro tocar la terminal de compuerta. Sin quitar el borne negativo de la terminal de fuente 3. Coloque (después de haber realizado el paso 2) el borne positivo del multímetro en la terminal de drenaje. Una vez realizado este paso se observara en el multímetro una medición de baja resistencia entre la terminal de drenaje y la terminal de fuente. 4. Sin quitar el borne positivo del multímetro de la terminal de drenaje y el borne negativo de la terminal de fuente, toque la terminal de compuerta con la yema del dedo. Una vez realizado este paso se observara en el multímetro que la resistencia baja cambia a un estado demasiado alto como para representar una medición es decir que el MOSFET tiene resistencia alta entre la terminal de drenaje y la terminal de fuente Si estas mediciones son correctas de acuerdo a los pasos seguidos anteriormente estaremos en presencia de un MOSFET en buen estado. Las mediciones para un MOSFET de canal p son similares solo que se intercambian los papeles de la polarizaciones aplicadas con el multímetro Si no sucede así puede darse el caso que el MOSFET no haga la conmutación del cambio de estado o este en cortocircuito en todas sus terminales por lo cual estaremos en presencia de un MOSFET dañado y habrá que sustituirlo por otro de igual características.

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3. SCR Significa RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO, se usa para controlar corrientes altas para una carga y es un dispositivo de tres terminales

3.1 Teoría y operación de los SCR Actúa como un interruptor, cuando esta encendido (ON), es un interruptor cerrado y la corriente puede fluir de ANODO a CATODO (presenta una baja resistencia entre A y K), cuando esta apagado (OFF), actúa como un interruptor abierto y no fluye corriente de ANODO a CATODO (presenta una alta resistencia entre A y K). 3.2 Características eléctricas y físicas En los circuitos se usa en serie con la carga (Figura 6) para controlar corriente ejemplo:

Figura 6 En donde la fuente puede ser de CA de 60 Hz o de CD en circuitos especiales de protección. Si la fuente es de CA el SCR pasa cierta parte del ciclo en ON y el resto del tiempo en OFF, para 60 Hz el tiempo del ciclo es de 16.67 mS y es este tiempo el que tiene que dividirse en el tiempo de estado ON y el tiempo de estado OFF. Como lo sugiere su nombre el SCR es un rectificador, por lo que pasa corriente durante un semiciclo de la fuente de AC. Esto significa la mitad de un ciclo tiene polaridad INVERSA evitando que pase cualquier corriente a la carga de allí que sean necesarios dos términos para describir su comportamiento. 1. Angulo de Conducción (β) : Es el numero de grados de un ciclo de CA durante los cuales el SCR esta encendido. 2. Angulo de Retardo de Disparo (α) : Es el numero de grados de un ciclo de CA que transcurren antes de que el SCR sea encendido.

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Estos términos determinan la porción del tiempo en el cual va a fluir corriente a la carga. -

Si está en conducción durante un tiempo pequeño, la Corriente a la carga es pequeña. Si permanece en conducción durante un tiempo mas largo la corriente en la carga es mayor.

En ambos casos el ángulo de disparo y el de conducción pueden ajustarse para lograr el control a la carga, por supuesto estos términos están basados en la noción de que el tiempo total del ciclo en los SCR es de 180 o es decir: α + β = 180o y ½ ciclo es 8.33 mS Formas de ondas típicas del voltaje vak y el voltaje en la carga de un SCR

Grafico 5 ¿Que condición causaría la corriente mayor, un ángulo de disparo de 30 o o un ángulo de retardo de disparo de 45o? Característica de compuerta de los SCR La cantidad de tiempo en ON u OFF es controlada por la terminal de compuerta, disparando un pulso corto de corriente a esta terminal, esta corriente fluye entre la compuerta y el cátodo y se simboliza por I GT (Figura 7), la mayoría de los SCR requieren una corriente de compuerta entre (0.1 y 50 mA) y dado que hay una unión pn estándar entre compuerta y cátodo el voltaje debe ser de 0.7 V

Figura 7 Cantidad de tiempo ON u OFF Una ves que se ha disparado el SCR, no es necesario continuar aplicando el pulso de corriente a la compuerta y el SCR se queda anclado, esto significa que la 17

corriente de ANODO a CATODO sigue fluyendo mientras que esta no caiga por debajo de un valor mínimo simbolizado por I HO o corriente de retensión y ocurre cuando la fuente de voltaje de CA pasa por cero o su región negativa o se corta la corriente en los circuitos de CD, esta IHO es de alrededor de los 10mA. 3.3 Circuitos comunes de control de compuerta Los SCR en circuitos de CD Estos utilizan la misma fuente de voltaje para operar tanto el circuito de control de compuerta como la carga y tales configuraciones son comunes en los circuitos con SCR y TRIAC, entre estos están: 1. Circuitos de disparo comunes. 2. Circuitos de disparo que usan capacitores para retardar el disparo. Estos últimos pueden ser mejorados para ofrecer un mayor rango de ajuste del ángulo de disparo añadiendo redes de descarga RC y de protección con diodos o utilizando circuitos con dispositivos de transición conductiva como los DIACS y los DIODOS de 4 CAPAS. Circuito de disparo común R2 determina el ángulo de retardo de disparo, R1 mantiene una resistencia fija en la terminal de compuerta para protegerla cuando R2 es cero, también determina el ángulo de retardo de disparo mínimo y en ocasiones se utiliza un diodo en serie con la compuerta para evitar voltajes inversos,Grafico 6 tiene una desventaja que solo se puede hacer variar el ángulo de retardo de disparo entre 0 y 90o Grafico 6 Circuito de control de compuerta con capacitor Mejoran el control de compuerta y el ángulo de retardo de disparo puede ser ajustado a mas allá de de 90 o basándose en las propiedades del capacitor de carga y descarga, de nuevo R2 determina el ángulo de retardo de disparo, en ocasiones se utilizan redes de resistencia y redes dobles RC. Grafico 7

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Grafico 7 Circuito 3.4 Aplicaciones prácticas con SCR Unas de las cuantas áreas más comunes de aplicación de los SCR incluyen: 1. Cargadores de baterías 2. Sistemas de luces de emergencia 3. Controles de temperatura 4. Controles de motores En los últimos años, los SCR se han diseñado para controlar potencias tan altas como 10MW con valores nominales individuales tan elevados como 2000A a 1800V. su intervalo de frecuencias de aplicación se ha extendido también cerca de 50 KHz, permitiendo algunas aflicciones de alta frecuencia, tales como calentamiento por inducción y limpieza ultrasónica. Los circuitos comunes de control de compuerta y con retardo de capacitores se utilizan para controlar la corriente aplicada a una carga, esta carga bien puede ser un motor o una lámpara cuya luminosidad varia controlando la corriente. Aplicación de las hojas de datos Las hojas de datos de los SCR para diversos modelos consisten en la información que aparece en los libros de reemplazo como el NTE. Esta información incluye los siguientes datos: 1. Voltaje de ruptura directo V F, es el voltaje arriba del cual el SCR entra en conducción. 2. Corriente de sostenimiento IH, es el valor de la corriente por debajo del cual el SCR conmuta del estado de conducción al de la region de bloqueo directa. 3. El tiempo de disparo o encendido (t disparo). 4. La temperatura de la unión (Tj) y la temperatura del encapsulado (T C).

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Además de estas características se muestra la estructura física del dispositivo con sus dimensiones y la forma del encapsulado como lo muestra la siguiente figura 8. Construcción del encapsulado del SCR

Figura 8 3.5 Comprobación de SCR Aplicar la borna positiva del multímetro al ánodo y la negativa al cátodo según figura 9.a, y sin dejar de hacer contacto tocar con la borna positiva la puerta y soltar y ver si se ha disparado, el SCR conducirá mientras no se desconecte ninguna borna del multímetro ya que este es capaz de mantener la corriente de sostenimiento.

Figura 9.a En algunas ocasiones la medición con el multímetro se complica ya que este no es capaz de proporcionar la corriente necesaria para mantenerlo conduciendo, si este es el caso podemos utilizar el siguiente circuito para comprobar su funcionamiento Figura 9.b.

Figura 9.b 20

Al aplicar un pulso momentáneo a la compuerta del SCR con la batería de 1.5 V hacemos que este conduzca y se comporte como una resistencia baja dejando pasar la corriente de Ánodo a Cátodo esto enciende la bujía de 9 V indicando que el SCR esta conduciendo normalmente. El SCR se apaga hasta que se retira la conexión de la batería de 9 V y no deja pasar corriente de Ánodo a Cátodo, aquí este actúa como un interruptor abierto. SCR en mal estado En corto todas sus terminales indican continuidad o baja resistencia. En circuito abierto el SCR no actúa en sus dos regiones de funcionamiento apagado o encendido. 4. TRIAC Es un dispositivo de tres terminales que se utiliza para controlar el flujo de corriente promedio a una carga. Un TRIAC difiere de un SCR en que al encenderse puede conducir corriente en cualquier dirección, el símbolo esquemático de un TRIAC es el siguiente (Figura 10).

Figura 10 Símbolos y diagramas 4.1 Teoría y operación de los TRIAC Cuando un TRIAC es activado no fluye corriente entre las terminales principales, sin importar la polaridad del voltaje externo del voltaje aplicado. El TRIAC actúa por tanto como un interruptor abierto, cuando el TRIAC se enciende, hay una trayectoria de flujo de corriente de muy baja resistencia de una terminal a la otra, dependiendo de la dirección del flujo de la polaridad del voltaje aplicado. Cuando el voltaje es positivo en MT2, la corriente fluye de MT2 a MT1. Cuando el voltaje

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es positivo en MT1, la corriente fluye de MT1 a MT2. En ambos casos, el TRIAC se comporta como un interruptor cerrado. La relación en el circuito entre la fuente de voltaje y el TRIAC es en serie con la carga igual que un SCR. La corriente promedio entregada a la carga puede variarse controlando la cantidad de tiempo que el TRIAC permanece en el estado encendido, por tanto si es pequeño el tiempo en que esta encendido, la corriente entregada a la carga es pequeña. Si esta en el estado de encendido mas tiempo, la corriente promedio será alta. 4.2 Características eléctricas y físicas Cuando un TRIAC esta polarizado con voltaje externo mas positivo en la terminal MT2 es disparado igual que un SCR, la terminal G es positiva con respecto a la terminal MT1, lo que causa un flujo de la corriente de disparo hacia el dispositivo, a través de la terminal de compuerta y hacia fuera del dispositivo a través de MT1. El voltaje de compuerta necesario para dispararlo se simboliza con V GT y esta entre 0.6 a 2V. La corriente de compuerta necesaria se simboliza con I GT y es de unos 0.1 a 20mA. Cuando el TRIAC tiene una polarización mas positiva en la terminal MT1, el disparo se logra enviando una corriente de compuerta negativa a la terminal G o sea que el voltaje de la compuerta será mas negativo con respecto a la terminal MT1. Estas dos situaciones se muestran en la siguiente (Figura 11.a y 11.b)

Figura 11.a

Figura 11.b

Un TRIAC como un SCR no requiere una corriente de compuerta continua una vez que se ha disparado. Este permanecerá encendido hasta que la polaridad de la terminal principal cambie o hasta que la polaridad de la terminal principal caiga por debajo de la corriente de sostenimiento I HO. La mayoría de los TRIACS tienen un régimen de menos de 100mA. Otras características eléctricas importantes son: 1. La corriente rms máxima permisible I (RMS), que están disponibles desde 1, 3, 6, 10, 15, y 25A. 2. El voltaje de transición conductiva VDROM, que es el voltaje pico de la terminal mas grande que el TRIAC puede bloquear en cualquier dirección y los regimenes mas comunes están disponibles desde 100, 200, 400, y 600V

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3. el voltaje de estado de encendido VTM, que idealizado es de 0V, pero realmente este es generalmente un voltaje de 1 a 2V, lo mismo que en SCR. Todas estas especificaciones las da el fabricante en los manuales de reemplazo. 4.3 Métodos de disparo de los TRIAC El TRIAC no esta limitado como el SCR, este puede conducir durante el total de los 360o del ciclo AC(Figura 12), por tanto proporciona control de corriente de onda completa, en lugar de media onda que se logra con un SCR. Tiene las mismas ventajas que el SCR y los transistores sobre los interruptores mecánicos. No tienen rebotes de contacto, no existen arcos entre contactos parcialmente abiertos y operan con mucha mas rapidez que los interruptores mecánicos, proporcionando un control de corriente mas preciso.

Figura 12 Formas de onda de los TRIACS Son muy parecidas a las de los SCR, a excepción de que el TRIAC puede dispararse durante el semiciclo negativo (Figura 13). Por ejemplo:

Figura 13 Donde puede verse que el TRIAC se encuentra apagado durante el ángulo de retardo de disparo o sea que se comporta como un circuito abierto, durante ese tiempo el voltaje completo de la línea AC se cae a través de las terminales principales. Sin aplicar ningún voltaje a través de la carga. Por consiguiente no hay flujo de corriente a través del TRIAC o la carga. Después de transcurrido el ángulo de retardo de disparo, el TRIAC se pone en conducción, o enciende

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comportándose como un circuito cerrado y la corriente fluye a través de el y la carga durante el resto del semiciclo que es ángulo de conducción. 4.4 Aplicaciones prácticas con TRIACS Unas de las cuantas áreas más comunes de aplicación de los TRIACS incluyen: 1. Dimmer/control de velocidad de un motor de corriente alterna 2. Convertidores CA-CA. 4.5 Comprobación de TRIACS Como se usa solo en AC el TRIAC conduce tanto con un pulso negativo como con un pulso positivo y las pruebas de este deben hacerse utilizando el circuito de la siguiente Figura14.a y 14.b. Primero se le da un pulso positivo y este se activa igual que un SCR permitiendo el paso de la corriente a través de la bujía por lo cual este se enciende indicando un buen funcionamiento.

Figura 14.a Con este otro circuito se prueba su funcionamiento para cuando el pulso es negativo, cuando se aplica este pulso el TRIAC conduce y deja pasar corriente por lo cual la lámpara se enciende.

Figura 14.b

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Cuando el TRIAC esta en mal estado, sucede lo mismo que con un SCR no conduce en ninguna dirección y puede estar en corto o en circuito abierto esto se verifica con pruebas de continuidad. 5. DIACS Son dispositivos de dos terminales (Figura 15) que pueden ser disparados en cualquier dirección lo que hace que sean utilizados al máximo para aplicaciones de AC.

Figura 15 5.1 Teoría y operación del DIACS En el DIAC ninguna terminal esta mencionada como cátodo, en ves de ello hay un ánodo 1 y un ánodo 2. Tampoco necesita una terminal de compuerta para dispararse en lugar de ello, se tiene que hacer que el voltaje a través de el, exceda el voltaje de rompimiento en cualquier dirección (V BO), como muestra las características del dispositivo (Figura 16).

Figura 16 5.2 Características eléctricas y físicas Los voltajes de ruptura están muy cercanos en magnitud para cada dispositivo, pero puede variar de un mínimo de 28V a un máximo de 42V, los niveles correspondientes a las corrientes para cada voltaje también son muy cercanos en magnitud y son de cerca de 200μA = 0.2 mA. La curva muestra que en cuanto a la aplicación de voltajes en directa menores que el voltaje en directa de transición conductiva (+ V BO), el DIAC impide el paso de casi toda la corriente. Una ves que se alcanza el voltaje en directa de transición 25

conductiva, el DIAC conmuta al estado de conducción y la corriente aumenta repentinamente mientras el voltaje a través de las terminales cae. Dicho aumento súbito de corriente en la curva característica da cuenta de la habilidad para la emisión de pulsos del DIAC. En la región de voltaje negativo, el comportamiento es idéntico. Cuando el voltaje invertido aplicado es menor que el voltaje en inversa de transición conductiva (VBO), el DIAC evita el flujo de corriente. Cuando el voltaje aplicado alcanza a –V BO, el DIAC se conmuta al estado de conducción en el sentido opuesto. 5.3 Los DIACS como dispositivos de disparo de los TRIACS Un DIAC es conocido también por los nombres de DIODO BIDIRECCIONAL DE DISPARO Y DIODO SIMETRICO DE DISPARO por su característica de conducir a ambos lados. Son fabricados para ser relativamente estables en temperatura y para tener tolerancias bastante pequeñas en sus voltajes de transición conductiva y son muy utilizados como dispositivos de disparo en los circuitos de control de corriente con TRIAC (Figura 17).

Figura 17 5.4 Comprobación de DIACS Para la comprobación de un Diac se realiza utilizando un multímetro en el modo de óhmetro o continuidad polarizando en ambas terminales obteniendo una medición de alta resistencia. 6. SIDAC, IGBT, SBS, SUS SIDAC El disparador bilateral de alto voltaje o SIDAC ( high Voltaje Bilateral Tigger), es un dispositivo electrónico de reciente aparición. Permite la manipulación de voltaje altos de disparo, lo que amplia la gama de aplicaciones de los dispositivos disparadores; de esta manera, se ahorra gastos en componentes extras que serian necesarios para ciertas clases de circuitos.

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Los voltajes de conducción para este dispositivo fluctúan en un rango que va de los 100v a los 300v; por eso es grande la corriente que le circuito puede conducir. IGBT Los transistores bipolares de compuertas aislada (Insulated Gate Bipolar Trasistor) son el fruto del avance tecnológico mas reciente en el campo de los semiconductores de potencia. Ellos representan la unión de las ventajas de los MOSFET - compuerta aislada y alta velocidad - con los de transistores bipolares – baja resistencia de conducción, alta corriente. Los IGBT son capaces de conmutar 400 A a 1200 V y la frecuencia de conmutación hasta 20 khz, con una perdida mínima y una alta velocidad. Los IGBT son muy similares en la construcción y operación a los MOSFET de potencia. Los IGBT, al igual que los MOSFET, son dispositivos de tres terminales controlados por voltajes.      

Ofrecen una elevada impedancia de entrada y una baja resistencia de salida. Tienen áreas de operaciones seguras (SAO) muy amplias. No presenta el fenómeno de avalancha térmica. Toleran razonablemente picos de corrientes. Pueden ser conectados en paralelo para aumentar la capacidad de manejo de corriente. Tienen una alta ganancia de corriente.

En la figura 18.a aparece el circuito equivalente mismo que se puede simplificar al de la figura 18.b. Un IGBT esta fabricado con cuatro capas alternadas PNPN. Un IGBT es un dispositivo controlado por voltaje, similar aun MOSFET de potencia. Tiene menores perdidas de conmutación y de conducción, en tanto comparte muchas de las características atractivas de los MOSFET de potencia, como la facilidad de excitación de compuerta, la corriente de pico, la capacidad y la resistencia. Un IGBT es inherentemente más rápido que un BJT. Sin embargo, la velocidad de conmutación de los IGBT es inferior a los de los MOSFET.

Figura 18.a Circuito equivalente

Figura 18.b Circuito simplificado

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El símbolo y el circuito de un interruptor IGBT se muestran en la figura 18.c y 18.d. Las tres terminales son Compuertas, Colector y Emisor, en vez de Compuerta, Drenaje y Fuente de un MOSFET. Los parámetros y sus símbolos son similares a los de los MOSFET, excepto en que los suscritos correspondiente a la fuente y al drenaje se modifican de emisor y a colector, respectivamente. Los IGBT están encontrado cada vez mas en las aplicaciones de potencia media como son los propulsores para motores de CD y AC, fuentes de alimentación, relevadores de estado solidó y los contactores.

Figura 18.c Símbolo

Figura 18.d Circuito

Desde el punto de vista eléctrico un IGBT puede considerarse como un componente hibrido formado por un MOSFET de conductividad modulada y un transistor bipolar de salida conectado en configuración seudo darlington. Existen dos configuraciones, el tipo NPN y PNP. El primer tipo es equivalente a un transistor PNP manejado por un MOSFET de canal N, el otro es un transistor NPN manejado por un MOSFET de canal P. la mayor parte de los IGBT disponible son del tipo NPN. Para comprender como opera un IGBT (Figura 19), se considera el circuito equivalente NPN. En condiciones normales, con un voltaje de compuerta VGE=0, entre colector y emisor circula una corriente de fuga (ICES) muy débil y el IGBT esta esencialmente bloqueado.

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Figura 19 Operación de un IGBT SBS El interruptor bilateral de silicio (Silicón Bilateral switch) es un dispositivo de control para el disparo de la compuerta en TRIACS. Como su nombre lo indica, tiene la propiedad de conducir la corriente eléctrica en ambos sentidos; cuando la tensión alcanza el valor de conducción, a diferencia de un DIAC, el SBS adquiere un voltaje de conducción mucho mas pequeño (un valor de voltaje de conducción típico, es del orden de los 8 volt). Un SBS es un semiconductor avanzado, ya que no es una versión modificada de un diodo PNPN. Esta formado por un conjunto de dispositivos discreto, y se fabrica mas bien como un circuito integrado; además cuenta con una terminal extra llamada compuerta que proporciona mayor flexibilidad en el disparo. SUS El interruptor unilateral de silicio o SUS (Silicón Unilateral switch) es un dispositivo que permite el paso de la corriente eléctrica en un solo sentido cuando el voltaje aplicado a sus terminales en sentido directo supera cierto valor. Es muy parecido al diodo shockley con la diferencia que posee una terminal extra de disparo con la que se controla la condición de disparo en la que opera (lo que no puede hacerse en un diodo de cuatro capas). Un sus opera con valores de voltaje y corriente eléctrica bajo hasta 8V y 1 Amp respectivamente (Figura 20)

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Figura 20 7. Dispositivos opto electrónicos de potencia La opto electrónica es el nexo de unión entre los sistemas ópticos y los sistemas electrónicos. Los componentes opto electrónicos son aquellos cuyo funcionamiento está relacionado directamente con la luz. 7.1 Teoría y operación La luz, al igual que el sonido, es una combinación de "tonos" de diferente frecuencia. Se puede decir que los tonos es al sonido lo que los colores es la luz. La luz es entonces una combinación de colores (cada color de diferente frecuencia y longitud de onda). La luz blanca es una mezcla de rayos de luz combinados. Cada uno de estos rayos tiene su propia longitud de onda, y es la variación de esta longitud de onda la que permite obtener todos los colores posibles. La luz se puede dividir en tres categorías:

Luz ultraviotela (UV)

Luz visible

Longitud de onda (μm)

Longitud de onda (A°)

menor a 0.4

menor a 4000

Violeta

0.46

4600

Azul

0.5

5000

Verde

0.56

5600

Amarillo 0.59

5900

Ambar

0.61

6100

Rojo

0.66

6600

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Luz infrarroja (IR)

mayor a 0.7

mayor a 7000

Notas: 1μm=10-6metros(m) 1A°=10-10metros(m) 1μm = 10,000 A° La longitud de onda se expresa de la siguiente manera: λ = c / f donde: -λ=longitud de onda de la luz - c = velocidad de la luz en el espacio (300,000 Km./seg) - f = frecuencia 7.2 Acoplamientos ópticos El ojo humano tiene una capacidad limitada y no es capaz de ver luz de longitudes de onda mayores a la de la luz ultravioleta (UV), ni menores a la de la luz infrarroja. La opto electrónica se centra principalmente en la parte correspondiente a la luz visible y la parte del infrarrojo cercano a la luz visible. A nivel de componentes podemos distinguir tres tipos de dispositivos: 





Dispositivos emisores: emiten luz al ser activados por energía eléctrica. Son dispositivos que transforman la energía eléctrica en energía luminosa. A este nivel corresponden los diodos LED o los LÁSER. Dispositivos detectores: generan una pequeña señal eléctrica al ser iluminados. Transforman la energía luminosa en energía eléctrica. A este nivel corresponden las Fotorresistencias, los Fotodiodos, los Fototransistores y foto- SCR. Dispositivos fotoconductores: Conducen la radiación luminosa desde un emisor a un receptor. No se producen transformaciones de energía. A este nivel corresponden los opto acopladores y los conductores de fibra óptica.

Fotorresistencia (Resistor fotosensible (LDR) o fotorresistor) Light Dependent Resistor (LDR) o Resistencia dependiente de la luz El LDR es una resistencia que varía su valor dependiendo de la cantidad de luz que la ilumina. Los valores de una fotorresistencia cuando está totalmente iluminada y cuando está totalmente a oscuras varía, puede medir de 50 ohmios a 1000 ohmios (1K)

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en iluminación total y puede ser de 50K (50,000 Ohms) a varios megaohmios cuando está a oscuras. El LDR es fabricado con materiales de estructura cristalina, y utiliza sus propiedades fotoconductoras. Los cristales utilizados más comunes son: sulfuro de cadmio y seleniuro de cadmio. El valor de la fotorresistencia (en Ohmios) no varía de forma instantánea cuando se pasa de luz a oscuridad o al contrario, y el tiempo que se dura en este proceso no siempre es igual si se pasa de oscuro a iluminado o si se pasa de iluminado a oscuro.

Figura 21 Fotorresistencia Esto hace que el LDR no se pueda utilizar en muchas aplicaciones, especialmente aquellas que necesitan de mucha exactitud en cuanto a tiempo para cambiar de estado (oscuridad a iluminación o iluminación a oscuridad) y a exactitud de los valores de la fotorresistencia al estar en los mismos estados anteriores. Su tiempo de respuesta típico es de aproximadamente 0.1 segundos. Pero hay muchas aplicaciones en las que una fotorresistencia es muy útil. En casos en que la exactitud de los cambios no es importante como en los circuitos: - Luz nocturna de encendido automático, que utiliza una fotorresistencia para activar una o más luces al llegar la noche. - Relé controlado por luz, donde el estado de iluminación de la fotorresistencia, activa o desactiva un Relay (relé), que puede tener un gran número de aplicaciones. El LDR o forresistencia es un elemento muy útil para aplicaciones en circuitos donde se necesita detectar la ausencia de luz del día. Fotodiodo (Diodo detector de luz) Figura 22 El fotodiodo se parece mucho a un diodo semiconductor común, pero tiene una característica que lo hace muy especial: es un dispositivo que conduce una cantidad de corriente eléctrica proporcional a la cantidad de luz que lo incide (lo ilumina).

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Figura 22 Fotodiodo Esta corriente eléctrica fluye en sentido opuesto a la flecha del diodo y se llama corriente de fuga. El fotodiodo se puede utilizar como dispositivo detector de luz, pues convierte la luz en electricidad y esta variación de electricidad es la que se utiliza para informar que hubo un cambio en el nivel de iluminación sobre el fotodiodo. Si el fotodiodo quedara conectado, de manera que por él circule la corriente en el sentido de la flecha (polarizado en sentido directo), la luz que lo incide no tendría efecto sobre él y se comportaría como un diodo semiconductor normal. La mayoría de los fotodiodos vienen equipados con un lente que concentra la cantidad de luz que lo incide, de manera que su reacción a la luz sea más evidente. A diferencia del LDR o fotorresistencia, el fotodiodo responde a los cambios de oscuridad a iluminación y viceversa con mucha más velocidad, y puede utilizarse en circuitos con tiempo de respuesta más pequeño. Si se combina un fotodiodo con un transistor bipolar, colocando el fotodiodo entre el colector y la base del transistor (con el cátodo del diodo apuntado al colector del transistor), se obtiene el circuito equivalente de un fototransistor. Diodo láser El diodo láser se obtuvo como resultado de la continuación del desarrollo del diodo LED. La palabra LASER proviene de las siglas en inglés: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Esto se refiere a un extraño proceso, donde la luz característica emitida por electrones cuando estos pasan de un estado de alta energía a un estado de menor energía, estimulan a otros electrones para crear "saltos" similares. El resultado es una luz sincronizada que sale del material. Otra característica importante es que la luz emitida no sólo tiene la misma frecuencia (color), sino también la misma fase. (También está sincronizada). Este es el motivo por el cual luz láser se mantiene enfocada aún a grandes distancias.

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En el caso de una fuente de luz blanca común, esta genera todos los diferentes colores (a sus respectivas frecuencias) en forma de rayos dispersos (van en diferentes direcciones) y no están en fase. Figura 23

En el caso de una fuente de luz láser Figura 24 todos los rayos son del mismo color (monocromáticos) o lo que es lo mismo, tienen la misma frecuencia y están en fase.

Nota: los colores del gráfico no guardan relación con los colores ni la frecuencia que irradia la luz en la realidad. Los diodos LED comunes, irradian una sola luz (son monocromáticos), una sola frecuencia, pero no están en fase y se propagan en forma dispersa. En cambio los diodos LASER, producen una luz coherente. Esta luz no sólo es monocromática (un solo color), sino que es monofásica (están en fase), resultando en un rayo de luz muy preciso. Los diodos LASER tienen una gran cantidad de aplicaciones, lectura y escritura de discos ópticos, donde sólo un rayo de luz muy angosto puede ver una área microscópica en la superficie de un disco. Para mediciones precisas en donde es indispensable un rayo de luz que no se disperse. Algunos diodos láser requieren de circuitos que generen pulsos de alta potencia, para entregar grandes cantidades de voltaje y corriente en pequeños instantes de tiempo. Otros diodos láser necesitan de un funcionamiento continuo pero a menor potencia. Fototransistor (Transistor + fotodiodo) Un fototransistor es, en esencia, lo mismo que un transistor normal, solo que puede trabajar de 2 maneras diferentes: - Como un transistor normal con la corriente de base (IB) (modo común) - Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de corriente de base. (IP) (modo de iluminación).

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Se pueden utilizar las dos en forma simultánea, aunque el fototransistor se utiliza principalmente con la patita de la base sin conectar. (IB = 0) La corriente de base total es igual a corriente de base (modo común) + corriente de base (por iluminación): IBT = IB + IP Si se desea aumentar la sensibilidad del transistor, debido a la baja iluminación, se puede incrementar la corriente de base (I B), con ayuda de polarización externa El circuito equivalente de un fototransistor, es un transistor común con un fotodiodo conectado entre la base y el colector, con el cátodo del fotodiodo conectado al colector del transistor y el ánodo a la base. Figura 25 El fototransistor es muy utilizado para aplicaciones donde la detección de iluminación es muy importante. Como el fotodiodo, tiene un tiempo de respuesta muy corto, solo que su entrega de corriente eléctrica es mucho mayor. En el gráfico se puede ver el circuito equivalente de un fototransistor. Se observa que está compuesto por un fotodiodo y un transistor. La corriente que entrega el fotodiodo (circula hacia la base del transistor) se amplifica β veces, y es la corriente que puede entregar el fototransistor. Nota: β es la ganancia de corriente del fototransistor. Opto acopladores (LED y Fototransistor) El Opto acoplador es un dispositivo que se compone de un diodo LED y un fototransistor, de manera de que cuando el diodo LED emite luz, ilumine el fototransistor y conduzca. Estos dos elementos están acoplados de la forma más eficiente posible. La corriente de salida IC (corriente de colector del fototransistor) es proporcional a la corriente de entrada IF (corriente en el diodo LED). La relación entre estas dos corrientes se llama razón de transferencia de corriente (CTR) y depende de la temperatura ambiente. A mayor temperatura ambiente, la corriente de colector en el fototransistor es mayor para la misma corriente IF (la corriente por el diodo LED) La entrada (circuito del diodo) y la salida (circuito del fototransistor) están 100% aislados y la impedancia de entrada es muy grande (10 13 ohms típico)

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El opto acoplador es un dispositivo sensible a la frecuencia y el CTR disminuye al aumentar ésta. Este elemento puede sustituir a elementos electromecánicos como relés, conmutadores. De esta manera se eliminan los golpes, se mejora la velocidad de conmutación y casi no hay necesidad de mantenimiento. Otros tipos de opto acopladores

Optoacoplador con fotodiodo

Optoacoplador

con

Darlington

Optoacoplador con fototiristor

Optoacoplador con TRIAC

(SCR) Foto- SCR Figura 26 El foto-SCR o SCR activado por luz (Light Activated SCR o LASCR) es, como su propio nombre lo indica, un SCR cuyo disparo es controlado por luz. Cuando la luz incidente es suficiente mente intensa, el SCR se dispara y permanece en conducción aunque desaparezca esa luz. En la figura se muestra su símbolo y aparece una aplicación sencilla con una resistencia ajustable que controla la intensidad de la luz incidente de disparo.

Figura 26

Símbolo foto-SCR o LASCR

ajuste de sensibilidad a la luz

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EJERCICIOS DE AUTO EVALUACION I. Conteste las siguientes preguntas a) Cual es la función de los transistores de potencia?

b) Indique los pasos de comprobación de un SCR?

c) Cual es la función de un Diodo Láser?

II. Analice el siguiente circuito a) explique el funcionamiento de R2.

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UNIDAD II: SISTEMAS DE CONTROL ELECTRÓNICO CON DISPOSITIVOS SENSORES, ACTUADORES Y CORRECTORES FINALES. 1. Transductores Todo el control industrial depende de la capacidad de medir con exactitud y rapidez el valor de una variable y la mejor manera de hacerlo es convertirla a una señal eléctrica de algún tipo y detectar la señal eléctrica con un dispositivo eléctrico de medición. Los transductores eléctricos son dispositivos que cambian las señales físicas del medio en señales eléctricas. Se han inventado transductores eléctricos para medir prácticamente cualquier variable como posición, velocidad, aceleración, fuerza, potencia, presión, razón de flujo, temperatura, intensidad de la luz y humedad. 1.1 Transductores mecánicos Estos dispositivos detectan movimientos mecánicos y los convierten en una variable que generalmente es de tipo eléctrico, entre los dispositivos más comunes que cumplen con esta característica están: 1.1.1 Potenciómetros Es el transductor eléctrico más común, pueden ser usados solos o pueden conectarse a un sensor mecánico para convertir un movimiento mecánico en una variación eléctrica (Figura 1), estos dispositivos tienen un contacto móvil llamado, derivación, cursor o deslizador que puede posicionarse en cualquier lugar a lo largo del elemento.

Figura 1 Símbolos esquemáticos de los potenciómetros

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(a) Símbolo circular que sugiere la apariencia física del potenciómetro (b) Símbolo rectilíneo El elemento resistivo en ambos casos se ajusta girando el cursor, se puede girar el eje a mano o usando un destornillador, dependiendo de si tiene en su extremo una perilla o una ranura para destornillador. La variación del eje permite que varié el valor de la resistencia del potenciómetro lo que producirá una variación eléctrica, así, el movimiento mecánico es medido de forma eléctrica. Con frecuencia, se instala un potenciómetro en un circuito de medición (Figura 2) con un voltaje aplicado entre sus terminales finales como un simple divisor de voltaje o en un circuito puente.

Figura 2 potenciómetros usados en circuitos de medición

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(a) Potenciómetro como un simple divisor de voltaje (b) Circuito puente, con el potenciómetro conformando un lado del puente (c) Circuito puente, con el potenciómetro comprendiendo una rama del puente En la figura 2(a) la rotación del eje causa una variación de voltaje entre las terminales. Si la posición del eje representa el valor de una variable medida, el potenciómetro establece una correspondencia entre la variable medida y el voltaje de salida (Vsalida) El circuito puente de la figura 2(b) estará balanceado cuando la razón de las resistencias a la izquierda sea igual a la razón de resistencias a la derecha o sea Vsalida=0 Si

R1 R 3 = R2 R4

La variable medida puede usarse para posicionar el eje del potenciómetro y en tal caso el voltaje de salida del puente representa el valor de la variable medida, la variable medida puede usarse para hacer que uno de los resistores, digamos R4 varié, R4 puede ser un potenciómetro o un resistencia de temperatura. R3 entonces se ajusta de manera manual o automática hasta que el voltaje de salida sea igual a cero, significando que el puente esta balanceado. La posición del eje de R3 representa entonces el valor de la variable medida. 1.1.2 Transformadores diferenciales de variación lineal (LVDT) Un transformador diferencial de variación lineal da una salida de AC que es proporcional a un desplazamiento físico. En la figura 3 se muestran la construcción y el símbolo esquemático del LVDT.

Figura 3(a,b)

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Figura 3(c,d,e) (a) Construcción física de un LVDT (b) Diagrama esquemático de un LVDT (c) Cuando el núcleo del LVDT esta perfectamente centrado, V salida = 0 (d) Cuando el núcleo se mueve hacia arriba, Vsalida esta en fase con Ventrada (e) Cuando el núcleo se mueve hacia abajo, Vsalida esta desfasado de Ventrada Un LVDT tiene un devanado primario y dos devanados secundarios, todos enrollados de la misma manera. Su forma física es hueca y contiene un núcleo magnético que puede deslizarse dentro de la forma. Mientras el núcleo magnético está perfectamente centrado, el campo magnético será el mismo para el devanado secundario 1 que para el devanado secundario 2 por tanto ambos voltajes secundarios serán iguales. Si el núcleo se mueve hacia la izquierda el campo magnético será mayor para el devanado secundario 1 porque una parte mayor del núcleo está dentro de ese devanado que en el devanado secundario 2. Si el núcleo se mueve hacia la derecha el voltaje del devanado 2 será mayor que el voltaje en el devanado 1 porque el devanado 2 tendrá más núcleo dentro de él. El LVDT esa construido para que la diferencia entre los dos voltajes de los devanados del secundario sea proporcional al desplazamiento del núcleo. Cuando el LVDT es usado como dispositivo de medición los devanados secundarios están conectados en serie por tanto, si el núcleo está centrado y el voltaje del devanado 1 es igual al voltaje del devanado 2 la salida del voltaje es cero. Si el núcleo se mueve hacia arriba en la figura (b) el voltaje del devanado 1 es mayor que el voltaje del devanado 2 por lo que el voltaje de salida se hace distinto a cero, entre más se mueva el núcleo más grande será el voltaje de salida. Si el núcleo se mueve hacia abajo de su posición central en la figura (b) el voltaje del devanado 2 será mayor que el voltaje del devanado 1 y el voltaje de salida es nuevamente distinto de cero. En cada ocasión el valor del voltaje de salida representa la cantidad del desplazamiento del centro.

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La mayoría de los LVDT tienen un rango de desplazamiento de más o menos una pulgada es decir el núcleo se mueve 1 pulgada hacia arriba del centro o 1 pulgada hacia abajo del centro, para movimientos mayores de 1 pulgada se requieren aparatos mecánicos de relación apropiada (tren de engranes reductores) Estos transformadores operan con un voltaje de entrada de menos de 10 de AC y los voltajes de salida están dentro de ese rango o mejor dicho en el rango de 0.5v de AC hasta unos 10v de AC con diferentes modelos de LVDT. 1.1.3 Tacómetros Es un dispositivo que mide la velocidad angular de un eje giratorio (Figura 3.1). Las unidades más comunes para expresar la velocidad angular son relaciones por minutos r/min y radianes por segundos. Un radian esa igual a 1/2 revoluciones o aproximadamente 57 grados mecánicos. Los tacómetros en la industria usan dos métodos básicos de medición. 1- La velocidad angular es representada por la magnitud de un voltaje generado 2- La velocidad angular es representado por la frecuencia de un voltaje generado Entre los tacómetros de magnitud hay dos tipos principales. - El tacómetro generador de DC - El tacómetro de rotor de metal no metal no magnético Entre los tacómetros de frecuencia hay tres tipos principales que son: - El tacómetro de campo rotatorio de AC - El tacómetro de rotor dentado - El tacómetro de captación por fotocelda

Figura 3.1 2. Transductores de presión y esfuerzo Estos dispositivos detectan la presión medida y la convierten en movimiento mecánico, el movimiento mecánico entonces es traducido en una señal eléctrica mediante un potenciómetro o un LVDT. Entre los dispositivos de detección de presión están los tubos de Bourdon y los fuelles. 42

2.1 Tubos de Bourdon Es un tubo metálico deformado con una sección transversal ovalada. Está abierto y un extremo y sellado en el otro. Todo el tubo es elástico, debido, debido a la elasticidad del metal usado en su construcción. El fluido cuya presión se está midiendo es admitido en el interior del tubo por el extremo abierto, que está anclado mecánicamente. El tubo entonces se deflexiona en una cantidad proporcional a la magnitud de la presión. Esta deflexión es transmitida mecánicamente a un potenciómetro o al núcleo de un LVDT. En la figura 4 de la (a) la (d) se muestra las diferentes formas de los tubos de Bourdon y los movimientos que producen.

Figura 4 Tubos de Bourdon (a) Tubo de Bourdon en forma de C que es el tipo más común (b) Tubo de Bourdon de forma helicoidal (c) Tubo de Bourdon espiral (d) Tubo de Bourdon de torsión (e) Tubo de Bourdon en forma de C conectado a un potenciómetro (f) Tubo de Bourdon en forma de C conectado a un LVDT. Los tubos de Bourdon espirales y helicoidales generalmente son preferibles a los tubos de Bourdon en forma de C, pues producen mayor movimiento de la punta sellada por cantidad de presión.

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Los tubos de Bourdon se usan con mayor frecuencia para la medición de presiones del orden de 10 a 300 psi. 2.2 Fuelles Es básicamente una serie de diafragmas metálicos conectados entre sí. Cuando está sujeto a la presión de un fluido un diafragma metálico se distorsionará ligeramente debido a la elasticidad del material usado en su construcción. Al soldar en serie varios diafragmas, el movimiento total del diafragma final puede ser considerable. En la figura 5 (a) se muestra un corte transversal de un fuelle. Con el puerto de presión anclado, el fuelle se expandirá a medida que aumenta la presión del fluido y la protuberancia de salida se mueve a la derecha. A medida que cae la presión del fluido el fuelle se contrae, y la protuberancia de salida se mueve hacia la izquierda, la fuerza de contracción puede ser proporcionada por la elasticidad misma de los diafragmas de fuelle, o por una combinación de elasticidad del diafragma del la acción de un resorte externo. En la Figura 5 (b) y (c) se muestran dos disposiciones comunes de fuelle.

Figura 5 ( a,b,c) Fuelles

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(a) Construcción básica de un fuelle (b) Arreglo de fuelle en el que la presión de entrada es aplicada al interior del fuelle. c) Arreglo de fuelle en el que la presión de entrada es aplicada al exterior del fuelle. 2.3 Galgas Se usan en la industria para medir con precisión fuerzas grandes, especialmente grandes pesos, también hay galgas diseñadas para medir fuerzas pequeñas, pero no son tan comunes, una galga básicamente es un alambre de resistencia cementado de manera firme en la superficie de un objeto resistente que recibe una fuerza. Esto es, el objeto se estira o se comprime ligeramente, dependiendo de si se siente una fuerza de tensión o compresión. El alambre de resistencia que está adherido a la superficie del objeto también se distorsiona ligeramente. La distorsión del alambre cambia su resistencia que es detectada y relacionada con el valor de la fuerza. Lo que mide en realidad una galga es la tensión, que es el cambio en la longitud del objeto resistente como un porcentaje de longitud original. En la figura 6 (a) se muestra una vista superior de una galga, el alambre de resistencia generalmente es una aleación de cobre y níquel. El alambre es conectado en un patrón de zigzag sobre un respaldo de papel muy delgado llamado base, el alambre está en zigzag para aumentar la longitud efectiva sujeta a la influencia del esfuerzo. Este patrón en zigzag completo se llama rejilla y se conectan alambres de cobre a las terminales de la rejilla. En la figura (b) y (d) se muestran dos galgas montadas en la superficie que sufrirá el esfuerzo y el la figura (c) y (e) la manera de conectar las galgas utilizando un circuito puente.

Figura 6.a Vista superior de una galga

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Figura 6b,c, Galgas montadas

Figura d,e Conexión de galgas

(a) Apariencia física de una galga (b) Galga pegada a un objeto cilíndrico (c) Manera de conectar una galga a un circuito puente (d) Galga pasiva pegada al objeto cilíndrico junto con una galga activa (e) Manera de conectar la galga pasiva y la activa en un puente para proporcionar estabilidad térmica Para compensar los efectos de temperatura, puede montarse una segunda galga, idéntica a la primera, en ángulo recto con la línea de aplicación de la fuerza. La fuerza no tiene efecto en esta galga, pues no está alineada con la fuerza. La galga está conectada como se muestra en la figura (c) y está etiquetada como galga pasiva. La galga sensora de fuerza se llama galga activa. El propósito de la galga pasiva es cancelar los cambios de resistencia asociado con la temperatura de la galga activa, al experimentar ambas galgas la misma temperatura cualquier cambio de resistencia se cancela debido a que el error se presenta en ambos lados del puente. Puede utilizarse un arreglo de galgas para mediciones precisas, éstas están colocadas estratégicamente en la superficie maquinadas a diferentes ángulos proporcionar mayor estabilidad térmica, el objeto en combinación con sus galgas se llama celda de carga, las básculas exactas para la medición de pesos grandes casi siempre usan celdas de cargas como transductores.

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3. Transductores térmicos Estos dispositivos detectan la temperatura medida y la convierten en una variable que generalmente es de tipo eléctrico, entre los dispositivos más comunes que cumplen con esta característica están.   

Termopares. RTD. Termistores.

3.1 Termopares Es el dispositivo más común para la medición de temperaturas de procesos industriales. Un termopar es un par de alambres de metales diferentes unidos en una malla como se muestra en la figura 7. Los alambres distintos tienen dos puntos de unión, una en cada extremo de la malla. Una unión llamada unión caliente es sujeta a una alta temperatura, la otra unión llamada unión fría es sujeta a baja temperatura. Al hacer esto se crea un pequeño voltaje en la malla. Este voltaje es proporcional a la diferencia entre las dos temperaturas de las uniones, entre mayor sea la temperatura en la unión mayor será el voltaje producido por esa unión.

Figura 7 Termopar (f) Termopar básico (g) Termopar con un voltímetro insertado en la malla (h) Malla de termopar sin unión fría entre el metal A y el metal B (i) Malla de termopar compensado contra las variaciones de temperatura de la unión fría.

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Una malla siempre tiene dos uniones y se producen dos voltajes opuestos entre sí. En la figura (b) el voltaje disponible es la diferencia de voltaje entre los dos voltajes individuales en cada unión, los cuales dependen de la diferencia entre las dos temperaturas de las uniones. Para medir la diferencia de temperatura, sólo es necesario romper la malla en un punto adecuado e insertar un voltímetro sensible ya que las mediciones que se producen están en el orden de milivoltios. Al introducir un voltímetro en la malla del termopar, generalmente lo más conveniente es insertarlo de la manera mostrada en la figura (c). En esta el metal A y el metal B no se tocan en la unión fría. En cambio, ambos metales son puestos en contacto con alambres conductores de cobre. La lectura de voltaje en los termopares pueden convertirse en una medición de temperatura haciendo referencia a tablas o gráficos estándar que relacionan estas dos variables que relacionan estas dos variables, podemos identificar los termopares por nombres o masas propietarias registradas, se han adoptado en códigos de letras para los tipos de termopares, los más comunes son los de tipos E, J, K, R y cada uno de ellos está formado por los siguientes metales.    

E: Chromel-constantan J: Hierro-constantan K: Chromel-alumel R: 87% platino, 13% Rodio-platinopuro.

En cada caso el primer metal o aleación metálica mencionada en el termopar es la terminal positiva y el segundo metal o aleación metálica es la terminal negativa. Estos instrumentos de medición para registrar temperatura a menudo se usan en puentes de balanceo automático para indicar las mediciones. El voltaje de malla del termopar es balanceado ajustándole cursor de un potenciómetro en un circuito puente de Wheatstones, el eje del potenciómetro está engranado a otro eje que opera la aguja de indicaciones de la temperatura. Por tanto por cada valor de voltaje hay una posición correspondiente de la aguja indicadora. Usualmente para el auto balanceo se emplea un resistor sensible a la temperatura. 3.2 RTD Además de usar el voltaje de un termopar para medir eléctricamente la temperatura, también usar el cambio de resistencia que ocurre en muchos materiales a medida que cambia su temperatura. Los materiales usados para este propósito caen en dos categorías: los metales puros y los óxidos metálicos. Los metales puros tienen un coeficiente de resistencia de temperatura positivo, el coeficiente de resistencia de temperatura generalmente llamado coeficiente de temperatura es la razón de cambio de resistencia al cambio de temperatura. Un

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coeficiente positivo significa que la resistencia aumenta a medida que aumenta la temperatura y un coeficiente negativo de temperatura significa que la resistencia disminuye a medida que aumenta la temperatura. Cuando se usa un dispositivo con metales puros para la medición de temperatura se refiere como detector resistivo de temperatura o RTD. Cuando se usan óxidos metálicos para la medición de temperatura el dispositivo es conformado en forma semejante a pequeños bulbos o pequeños capacitores y se llama termistor. Estos tienen coeficientes de temperatura negativos que quiere decir que su resistencia disminuye a medida que la temperatura aumenta. En la Figura 8 se muestran tres circuitos para la utilización de los Termistores y los RTD.

Figura 8 Circuitos que usan transductores resistivos de temperatura (a) La lectura del amperímetro corresponde a la temperatura medida (b) La lectura del voltímetro corresponde a la temperatura medida (c) Disposición en puente. cuando un puente está balanceado, la posición del cursor del potenciómetro corresponde a la temperatura medida En los diagramas esquemáticos, los resistores sensibles a la temperatura, se simbolizan con un resistor encerrado en un círculo con una flecha atravesándola y la letra T fuera del círculo.

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Un resistor PTC se indica apuntando hacia arriba del círculo y un resistor NTC puede representarse con una flecha apuntando hacia la parte inferior del círculo. En la figura 8(a) el transductor está en serie con un amperímetro y una fuente de voltaje. A medida que aumenta la temperatura la resistencia disminuye y aumenta la corriente. En la figura 8(b), el transductor incrementa su resistencia a medida que aumenta la temperatura lo que causa la aparición de una mayor parte del suministro de energía a través de sus terminales. En ambos casos la fuente debe ser estable para mantener la correspondencia entre la corriente o el voltaje o la lectura directa de temperatura en los medidores se invalidará. La figura 8(c) usa un circuito puente para lograr mediciones superiores y sensibles ya que se detecta el desbalance del puente, por tanto, a un ligero desbalance del puente puede detectarse y ser ajustado. 3.3 Termistores y Detectores Resistivos de Temperatura ( RTD ) Además de usar el voltaje de un termopar para medir eléctricamente la temperatura, también usar el cambio de resistencia que ocurre en muchos materiales a medida que cambia su temperatura. Los materiales usados para este propósito caen en dos categorías: los metales puros y los óxidos metálicos. Los metales puros tienen un coeficiente de resistencia de temperatura positivo, el coeficiente de resistencia de temperatura generalmente llamado coeficiente de temperatura es la razón de cambio de resistencia al cambio de temperatura. Un coeficiente positivo significa que la resistencia aumenta a medida que aumenta la temperatura y un coeficiente negativo de temperatura significa que la resistencia disminuye a medida que aumenta la temperatura. Cuando se usa un dispositivo con metales puros para la medición de temperatura se refiere como detector resistivo de temperatura o RTD. Cuando se usan óxidos metálicos para la medición de temperatura el dispositivo es conformado en forma semejante a pequeños bulbos o pequeños capacitores y se llama termistor. Estos tienen coeficientes de temperatura negativos que quiere decir que su resistencia disminuye a medida que la temperatura aumenta. En la Figura 9 se muestran tres circuitos para la utilización de los Termistores y los RTD.

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Figura 9 Circuitos que usan transductores resistivos de temperatura (d) La lectura del amperímetro corresponde a la temperatura medida (e) La lectura del voltímetro corresponde a la temperatura medida (f) Disposición en puente. cuando un puente está balanceado, la posición del cursor del potenciómetro corresponde a la temperatura medida En los diagramas esquemáticos, los resistores sensibles a la temperatura, se simbolizan con un resistor encerrado en un círculo con una flecha atravesándola y la letra T fuera del círculo. Un resistor PTC se indica apuntando hacia arriba del círculo y un resistor NTC puede representarse con una flecha apuntando hacia la parte inferior del círculo. En la figura 9(a) el transductor está en serie con un amperímetro y una fuente de voltaje. A medida que aumenta la temperatura la resistencia disminuye y aumenta la corriente. En la figura 9(b), el transductor incrementa su resistencia a medida que aumenta la temperatura lo que causa la aparición de una mayor parte del suministro de energía a través de sus terminales. En ambos casos la fuente debe ser estable para mantener la correspondencia entre la corriente o el voltaje o la lectura directa de temperatura en los medidores se invalidarán.

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La figura 9(c) usa un circuito puente para lograr mediciones superiores y sensibles ya que se detecta el desbalance del puente, por tanto, a un ligero desbalance del puente puede detectarse y ser ajustado. 3.4 Otros transductores de temperatura Detección de temperatura mediante dispositivos de estado sólido. Un diodo de Si ordinario es sensible a la temperatura. Para una corriente constante, su voltaje en directa varía de manera inversa a la temperatura. Esta dependencia de la temperatura puede usarse para medir el cambio de la temperatura de un medio conteniendo el diodo, o de un dispositivo que está en contacto térmico con el diodo. En la Figura 10 se muestra un enfoque del circuito general que utiliza un amplificador operacional, en este es posible hacer que T = 0 oC corresponda a Vsalida = 0v y la relación de voltaje-temperatura puede expresarse como. Vsalida = -2mv(Av)T

Figura 10 Amplificación de voltaje de la unión para detectar pequeños cambios de temperatura. Av = 1 + Rf/Rentrada AVAK = -2mv/ oC Avsalida = -2mv(Av)T Pueden usarse otros dispositivos de estado sólido como elementos sensores de temperatura y son más aplicables al igual que este circuito a la detección de límites de temperatura que a la medición exacta.

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4. Foto celdas y dispositivos fotoeléctricos Son pequeños dispositivos que producen una variación eléctrica en respuesta a un cambio en la intensidad de luz. Pueden clasificarse como fotovoltaicas o fotoconductivas. 4.1 Celdas fotovoltaicas Es una fuente de energía cuyo voltaje de salida varía en relación con la intensidad de la luz en su superficie. Industrialmente la aplicación de las fotos celdas cae en dos categorías generales. 1. Detección de la presencia de un objeto 2. Detección del grado de traslucidez (capacidad de pasar luz) o el grado de luminiscencia (capacidad de generar luz) de un fluido a un sólido. Los símbolos Figura 11 usados con frecuencia para las celdas fotovoltaicas son:

Figura 11 Símbolos esquemáticos usados para las celdas fotovoltaicas Las dos flechas ondulantes y la letra  (landa) sugieren la activación por luz del dispositivo. Los circuitos más comunes en los cuales se utilizan las celdas fotovoltaicas son:

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Figura 12 (a) Celdas fotovoltaicas energizando un relé directamente. (b) Celda fotovoltaica energizando un relé a través de un interruptor transistorizado. (c) Todos los componentes de la foto celda contenidos en un mismo paquete. La luz de la fuente luminosa es recogida en la celda fotovoltaica que puede estar montada a alguna distancia, (10 pies o más en aplicaciones industriales), al ser activada la celda fotovoltaica, acciona el relé sensible R cuyo contacto pasa la señal de entrada al circuito lógico. Si un objeto atraviesa la trayectoria de luz, la foto celda desenergiza el relé y el circuito lógico no recibe ninguna señal. Figura 12(a).

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Si se tiene problema para activar el relé este puede operarse a través de un transistor figura 12(b) para proporcionar la potencia adecuada de activación del relé. La figura 12(c) muestra los componentes de este sistema en un paquete que incluye la fuente de luz, el dispositivo de enfoque, la foto celda, el amplificador y el relé por lo que la salida final es la conmutación de los contactos del relevador para indicar que un objeto ha bloqueado o no la trayectoria de luz. 4.2 Celdas fotoconductivas Es un dispositivo pasivo incapaz de producir energía, cambian de resistencia como respuesta a los cambios en la intensidad de la luz, a medida que aumenta la iluminación la resistencia disminuye. Los símbolos Figura 13 esquemáticos son:

Figura 13 Símbolos esquemáticos usados para las celdas fotovoltaicas Pueden usarse para muchos de los mismos propósitos que las celdas fotovoltaicas, excepto, que no pueden actuar como fuente de energía, son preferidas sobre las fotovoltaicas cuando se requiere una respuesta muy sensible a las condiciones cambiantes de luz. Cuando se requiere de una respuesta rápida, las celdas fotovoltaicas son preferibles a las fotoconductivas. Un ejemplo de la utilización de las celdas fotoconductivas consiste en el circuito de la figura 14. Circuito puente con una aleta opaca conectada a la aguja del galvanómetro. Si ambas foto celdas pc1 y pc2 están oscuras ninguna se activa y la válvula del motor no se mueve, si cualquiera de las foto celdas recibe luz, relevador apropiado se acciona para aplicar potencia al motor de la válvula y regresar a balance al puente. El galvanómetro es un medidor centrado a cero. Si no hay flujo de corriente a través de él, la aguja regresa al centro de la escala, si hay un flujo de corriente de izquierda a derecha la aguja se mueve a la derecha del centro, si hay flujo de corriente de derecha a izquierda la aguja se mueve a la izquierda del centro. Figura 14 Celdas fotoconductivas usadas para balancear un puente (a) Circuito puente con una aleta opaca conectada a la aguja del galvanómetro (b) Circuito de las fotos celdas.

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Figura 14

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4.3 Fototransistores y diodos Emisores de Luz En la figura 15 se muestran dos maneras de construir un aislador óptico. En la figura 15(a) se muestra una fuente de luz incandescente estándar y una celda fotoconductiva para lograr el aislamiento, y en la figura 15(b) se muestra un diodo emisor de luz (LED, light-emitting diode) y un fototransistor para lograr el aislamiento.

Figura 15 (a) Aislador óptico usando un foco incandescente y una celda fotoconductiva (b) Otro aislador óptico usando un LED y un fototransistor Un aislador óptico es básicamente una interfaz entre dos circuitos que operan (generalmente) a diferentes niveles de voltaje. El uso industrial más común del aislador óptico es como convertidor de señal entre dispositivos piloto de alto voltaje (interruptores límite, etc.) y circuitos lógicos de estado sólido de bajo voltaje. Los aisladores ópticos pueden usarse en cualquier situación en la que 57

debe pasarse una señal entre dos circuitos que están aislados eléctricamente entre ellos para evitar que el ruido generado en un circuito pase al otro circuito. Esto es especialmente necesario para el acoplamiento entre circuitos de alto voltaje de recopilación de información y circuitos lógicos digitales de bajo voltaje. Los circuitos de información casi siempre están muy expuestos a fuentes de ruido, y los circuitos lógicos no pueden tolerar señales de ruido. El método de acoplamiento óptico es superior en muchas aplicaciones, pues elimina algunas de las características menos deseables de los relevadores y los transformadores. Los relevadores y los transformadores tienen ciertas limitaciones como acopladores y aisladores, principalmente: 1. Son bastante caros. 2. Son más voluminosos y pesados que los dispositivos ópticos. 3. Crean campos magnéticos y señales transitorias de conmutación que pueden ser la fuente de ruidos eléctricos problemáticos. 4. Los contactos de los relevadores pueden provocar chispas, que son muy indeseables en ciertas situaciones industriales. El acoplador lógico funciona bien tanto con señales de alto voltaje de AC como de CD. Por esta razón, a los convertidores de señal que usan acoplamiento óptico se les llama a veces convertidores universales de señal. La combinación LED-fototransistor de la figura 15(b) tiene algunas ventajas importantes, sobre la combinación foco-celda fotoconductiva de la figura 15(a): 1. Un LED tiene una vida extremadamente grande en comparación con un foco de cualquier tipo. Un LED emitirá luz por siempre si se opera a la corriente correcta; un foco incandescente será bueno si dura 10,000 horas. 2. Un LED puede soportar las vibraciones y golpes mecánicos del ambiente industrial mucho mejor que un foco de filamento, proporcionando mayor confiabilidad. 3. El LED y el fototransistor tienen una respuesta más rápida que un foco y una celda fotoconductiva. Esto puede ser una ventaja para ciertas aplicaciones de conmutación de alta frecuencia. Por supuesto, no hay razón por la que no se puedan combinar un LED con, una celda fotoconductiva común, y a veces se hace. Sin embargo, generalmente una fuente de luz LED es combinada con un fototransistor detector de luz, dado el mejor apareamiento entre sus velocidades de operación y entre sus longitudes de onda de emisión y detección de luz.

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Un LED visible no es muy brillante en comparación con, por ejemplo, un foco de 6 V del número 44. Algunos LED ni siquiera emiten una luz visible, sino que emiten una luz infrarroja invisible al ojo humano. Por supuesto, tales LED deben usarse con foto detectores sensibles a la radiación infrarroja. En los acopladores ópticos comerciales, esta es la práctica común, ya que de todos modos no se requiere que un humano vea la luz. También, los LED infrarrojos son más eficientes que los LED visibles, pues convierten más de su energía eléctrica en luz y menos en calor. Un fototransistor es un transistor semiconductor que responde a la intensidad de la luz en su lente, en lugar de a su corriente de base. Los fototransistores pueden responder tanto a la luz incidente como a su corriente de base. El fototransistor de la figura (b) no tiene una conexión de base, por lo que responde únicamente a la luz. Las flechas onduladas que apuntan hacia la localidad de la base simbolizan que el transistor es un fototransistor. 4.4 Fibras ópticas En un ambiente industrial, cuando una señal eléctrica es transmitida por cable, es vulnerable a la interferencia de una variedad de fuentes, como ya sabemos. Con el propósito de proteger la integridad de nuestras señales, se han desarrollado varias técnicas para lidiar con la interferencia eléctrica, o ruido. Por ejemplo, pueden rodearse los alambres de señal con un revestimiento de malla para bloquear el ruido capacitivamente acoplado. A veces se trenzan dos alambres de señal (lo que se llama par trenzado) para eliminar el ruido inducido magnéticamente. Para la transmisión de señales digitales se puede armar un lazo de corriente constante modulado por la señal. Inclusive podríamos canalizar los cables de señal por una ruta alejada para evitar el paso cerca de una fuente conocida de ruido. Estas técnicas resuelven el problema, más o menos, pero lo que realmente agradeceríamos es un método de transmisión de señal que no estuviera sujeto siquiera al ruido eléctrico. Tal método ya está disponible. Las fibras ópticas son hilos muy delgados de vidrio o plástico que llevan luz de la localidad de envío a la localidad de recepción. La estructura cristalina de una fibra óptica permite a la luz de entrada seguir la trayectoria de la fibra con apenas una ligera atenuación, aun cuando la fibra dé vueltas. Por tanto, una fibra óptica recubierta puede usarse como un alambre, pero sin la susceptibilidad del alambre a la interferencia eléctrica y magnética. La fibra es inmune a la captación de ruidos porque la señal que lleva no es eléctrica en su naturaleza, es luz. El tendido básico de un sistema de transmisión mediante fibra óptica se esquematiza en la figura 16(a). Como indica esa figura, debe usarse un dispositivo de alineación tanto en el extremo emisor como en el receptor. La fotografía de tal dispositivo se presenta en la figura 16(b).

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Figura 16 (a) Sistema de transmisión de señal mediante fibra óptica. (b) Dispositivo de alineación. La figura 17(a) ilustra la estructura de una fibra óptica. Las composiciones del núcleo y el revestimiento son seleccionadas de manera que el núcleo sea más denso que el revestimiento. La luz reflejada viaja a través del núcleo para incidir en la frontera del otro lado, donde se refleja de nuevo. De esta manera, si un rayo de luz no es paralelo al eje de la fibra, tiende a seguir una trayectoria en zigzag a través de la longitud del núcleo, como se muestra en la figura 17(b). Por supuesto, la situación no paralela tiende a ocurrir donde se dobla la fibra, por lo que es esta propiedad de reflexión casi total de las fibras ópticas la que les da su capacidad de "doblar" la luz.

Figura 17

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(a) Estructura de una fibra óptica. El núcleo y el revestimiento son de vidrio o plástico especial. (b) Un rayo de luz se refleja arriba y abajo a través de la longitud del núcleo. En la figura 16(a) se ha mostrado un fototransistor como el dispositivo receptor de luz. Los fototransistores se desempeñan bien a frecuencias por debajo de unos pocos cientos de kilohertz. Para las aplicaciones de mayor frecuencia, el fotodiodo es un mejor receptor de luz. Un fotodiodo es un diodo de silicio con una abertura en su empaque que contiene una lente que enfoca la luz incidente en su unión p-n. Al polarizar en inversa el circuito al diodo, su corriente de fuga depende de la intensidad de la luz en su unión. La corriente de fuga del fotodiodo entonces es detectada y amplificada para proporcionar una salida útil. Los fotodiodos son capaces de recibir datos ópticos digitales a baudajes mayores a los 50 megabits por segundo. La recepción de señales analógicas está restringida a frecuencias algo menores. 5. Sensores Como humanos, frecuentemente tomamos por hecho nuestro asombroso sistema de percepción. Vemos una copa sobre una mesa y automáticamente hacemos el movimiento para alcanzarla y tomarla sin pensar nada al respecto. O al menos no estamos muy al tanto de pensarlo mucho. El llevar a cabo la simple tarea de tomar de una copa requiere una compleja interacción de sensores; interpretación, conocimiento y coordinación, lo que se entiende solo un poco. Por lo que la acción de implantar un nivel de interpretación humano en un robot es algo tremendamente difícil. La computadora paralela que se encuentra dentro de cada una de nuestras cabezas dedica grandes partes de materia gris a los problemas de percepción y manipulación. Lo que da como conclusión y como una realidad el hecho de que en la actualidad un robot está limitado por los sensores que se le dan y por el programa que se escribe para él. Sensar no es percibir; los sensores son meramente transductores que convierten un fenómeno físico en señales eléctricas que un micro puede leer, esto puede hacerse por medio de un convertidor analógico digital ( ADC ), se carga un valor de un puerto de entrada/salida ó se usa una interrupción externa; comúnmente se necesita alguna interfase electrónica entre el sensor y la computadora ( o micro ) para acondicionar y/o amplificar la señal.

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5.1 Sensores ultrasónicos Con la información que se ha reunido hasta ahora se decidió emplear los sensores ultrasónicos para fin de que el prototipo de robot pueda percibir información a cierta distancia del terreno en que se desenvuelve y así ser capaz de movilizarse. Los sensores ultrasónicos emplean el fenómeno de la piezoelectricidad, esto es, cuando se deforman algunos materiales sólidos generan dentro de ellos una carga eléctrica. Este efecto es reversible en el sentido de que si se aplica una carga, el material se deformará mecánicamente como respuesta. Este principio electromagnético de conversión de energía se aplica con utilidad en ambas direcciones. El caso en que se aplica energía eléctrica y se obtiene energía mecánica se emplea en pequeños vibradores, en los sistemas sonar para la detección acústica y detección de objetos bajo el agua, en equipos ultrasónicos de pruebas industriales. El efecto piezoeléctrico puede responder a ( o producir ) deformaciones mecánicas del material en muchas formas diferentes, como dilatación en el espesor, etc. La forma del movimiento efectuado depende de la forma y orientación del cuerpo con relación a los ejes de los cristales y la posición de los electrodos. Los electrodos metálicos se recubren con otros metales para unirlos al material piezoeléctrico y aplicarles o extraerles la carga eléctrica. Como los materiales piezoeléctricos son aisladores, los electrodos se convierten en placas de un capacitor. Por tanto, un elemento piezoeléctrico que se emplea para convertir movimiento en señales eléctricas, puede considerarse como generador de carga y como capacitor. La deformación mecánica genera una carga; ésta se convierte en un voltaje definido que aparece entre los electrodos de acuerdo con la ley general de los capacitores. El efecto piezoeléctrico es sensible a la dirección, porque la tensión produce una polaridad definida en el voltaje, mientras que la compresión produce una opuesta.

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Así pues, si al transductor piezoeléctrico de un sensor ultrasónico, con los cortes requeridos, se le aplica en sus extremos (electrodos) un voltaje, el cristal sufre cambios en sus dimensiones, lo que ocasiona un cambio de presión en el medio que lo rodea (el aire es el medio en el que se trabaja), y viceversa, al ser sometido el cristal a un cambio de presión aparecen cargas eléctricas en sus extremos, donde se crea una diferencia de potencial. Por lo que este tipo de transductor puede funcionar como emisor ó receptor ultrasónico. Ésta es la manera en que se explica el funcionamiento básico de un sensor ultrasónico. Para obtener la medición de distancias con sensores ultrasónicos se trabaja con el sensor de la serie Herian Proffer el HE-US23 figura 18.

Figura 18 Sensor Ultrasónico de la serie Herian Proffer modelo HE-US23. Como se puede observar una de sus características es el tener dos transductores piezoeléctricos uno que funciona como receptor y el otro como emisor. Para este sensor se toma en cuenta que el medio a través de el cual viaja el sonido es el aire. Otro material diferente al aire se toma como un objeto ( se incluyen sólidos, líquidos y gases ). Todos los objetos reflejan y absorben una porción de la onda. Una parte de la onda que llega a la superficie del material es reflejada, mientras una parte de la onda penetra el material y es eventualmente reflejada por cualquier límite de superficie encontrado mientras viaja dentro del material; por lo que también se recibe una señal proveniente del interior del material. La amplitud de la onda reflejada es directamente proporcional a la superficie disponible de el objeto reflejante. El tamaño de la superficie, forma y orientación son también factor que contribuye a la fuerza de la señal reflejada. 6. Transductores de humedad Hay muchas operaciones industriales que deben de llevarse a cabo baja condiciones específicas y controladas de contenido de humedad. En muchos casos el contenido de humedad en el ambiente es importante; en otros casos el contenido de humedad en el producto mismo es más importante para el éxito del proceso industrial. Entre los dispositivos para medir se encuentran los higrometros resistivos y los sicrómetros.

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6.1 Higrómetros resistivos Un higrómetro resistivo Figura 19 es un elemento cuya resistencia cambia con cambios en la humedad relativa del aire en contacto con el elemento. Los higrómetros resistivos generalmente están formados por dos electrodos de metal laminado sobre una forma plástica. Los electrodos no deben tocarse entre si, y están aislados uno del otro por medio de la forma plástica. A medida que la humedad del aire circundante crece, la película de cloruro de litio absorbe más vapor de agua del aire. Esto hace que su resistencia disminuya marcadamente. Dado que la película de cloruro de litio esta en contacto estrecho con los dos electrodos de metal, también decrece marcadamente la resistencia entre los terminales de los eléctrodos.

Figura 19 ( higrometro resistivo digital) 6.2 Sicrómetros Un sicrómetro es un dispositivo de medida de la humedad relativa que tiene dos transductores de temperatura (termómetro). Uno de los termómetros mide la temperatura de un elemento que esta simplemente localizado en el ambiente. Este elemento se denomina el bulbo seco. El segundo termómetro mide la temperatura de un elemento que esta circundado por un material fibroso saturado con agua pura. Este elemento se denomina el bulbo húmedo. El aire del ambiente es forzado a fluir sobre el bulbo seco y el bulbo húmedo por medio de un tipo de ventilador, esta distribución se muestra en la figura 20.

Figura 20 (Sicrómetro Digital)

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7. Válvulas 7.1 Válvulas solenoide La Figura 21 muestra un corte de una válvula operada por un solenoide o simplemente una válvula solenoide. En ausencia de corriente por la bobina del solenoide no habrá campo magnético que lleve arriba la armadura, de modo que ésta se mantendrá abajo por efecto del resorte de compresión. El vástago de la válvula está unido a la armadura, de modo que éste también está abajo y empuja el tapón de la válvula herméticamente contra el asiento de la válvula. Este bloquea el flujo de fluido entre los puntos de entrada y salida. Cuando se energiza la bobina del solenoide y circula corriente por la bobina, se establece un campo magnético que halará hacia arriba la armadura. La armadura debe vencer la fuerza del resorte que trata de mantenerla abajo para que pueda moverse al interior de la bobina. A medida que la armadura se mueve hacia arriba, levanta el tapón retirándolo del asiento y establece el camino de la entrada a la salida. Las válvulas solenoide inherentemente son dispositivos de dos posiciones. Es decir, hay camino o no hay camino. Por tanto se prestan para ser utilizadas con el modo de control Todo o Nada.

FIGURA 21 Las bobinas del solenoide pueden diseñarse para operar con voltaje AC o con voltaje DC, pero los diseños en AC son mucho más comunes. Las bobinas solenoides de AC tienen un serio inconveniente que no tienen las válvulas solenoides de DC. Si una válvula solenoide AC se queda pegada en la posición cerrada o parcialmente cerrada cuando se aplica la potencia a la bobina, la bobina probablemente se quemará. Esto sucede porque la armadura magnética no puede entrar al núcleo de la bobina, de modo que la inductancia de la bobina permanece en valor bajo. (La inductancia de un inductor depende bastante de la permeabilidad magnética del material del núcleo). Con baja inductancia, la

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reactancia inductiva es también baja, e indefinidamente circulará una gran corriente AC. Esto eventualmente sobrecalentará el devanado del solenoide. 7.2 Válvulas de dos posiciones manejadas por un motor eléctrico En situaciones donde la válvula es grande o donde deba operar contra fluidos de alta presión, es mejor operar la válvula por medio de un motor eléctrico que con una bobina solenoide. En este caso el cuerpo y el vástago de la válvula podrían parecerse a los de la válvula mostrada en la Figura 21, pero el vástago estaría solidario a alguna clase de enlace mecánico el cual es movido por un motor eléctrico. La mayoría de las válvulas de dos posiciones de este tipo son operadas por un motor de inducción de fase partida unidireccional. El motor tiene un engranaje reductor para producir una baja velocidad al eje y un alto torque. A medida que la válvula rota desde 0° a 180°, el enlace de enganche abre la válvula. A medida que el eje rota desde 180° a 360°, a la posición inicial, el enlace de enganche cierra la válvula. Los interruptores de fin de carrera que son parte integral localizados dentro del motor detectan cuando la válvula ha alcanzado la posición de 180° y cuando ha alcanzado la posición de reposo. Un diagrama que muestra los devanados, los interruptores de fin de carrera, y las conexiones del controlador de dicho motor se presentan en la Figura 22.

Figura 22

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Veamos cómo funciona el sistema de dos posiciones operado por un motor. Si el eje de salida del motor se encuentra en la posición de reposo, significa que la válvula está cerrada, IFC1 e IFC2 están contactados mecánicamente. El contacto N.C. de IFC2 está entonces abierto, y el contacto N.A. de IFC1 se mantiene cerrado. Si el controlador solicita la abertura de la válvula, lo hace cerrando el contacto A. Esto aplica 115 V AC al terminal N.A. de IFC1. Dado que el contacto N.A. está cerrado en este momento, la potencia se aplica a los devanados del motor, y éste comienza a girar. Rápidamente después que deja la posición de reposo. IFC1 es soltado por su leva, haciendo que el contacto N.A. se abra. Sin embargo, la potencia se mantiene en los devanados a través del contacto del IFC2, el cual también es soltado por su leva. Refiérase al diagrama de tiempo para ver esto. Cuando el eje de salida del motor alcance la posición de 180”, lo cual significa que la válvula está abierta, IFC2 es contactado de nuevo por su leva, tal como lo indica el diagrama de tiempo. Esto abre el contacto de IFC2 y desconecta la potencia a los devanados del motor. El motor se detiene en esta posición, y la válvula permanece abierta. Cuando el operador solicita el cierre de la válvula, lo indica por el cierre del contacto B. Se aplica potencia a los devanados del motor a través del contacto N.C. de IFC2, el cual está cerrado en este momento. Está cerrado debido a que IFC2 no está actuado mecánicamente por una leva, tal como lo muestra el diagrama de tiempo. El motor gira en la misma dirección anterior hasta alcanzar la posición de reposo. En la posición de reposo ambos IFC1 e IFC2 son contactados por sus levas de modo que se suprime la potencia a los devanados del motor, y el motor se detiene. Por consiguiente la válvula es cerrada. La mayoría de los motores eléctricos utilizados en válvulas de dos posiciones operadas por motor tienen un tiempo total de recorrido de menos de 30 seg. Es decir, toma menos de 30 seg. el motor en abrir o cerrar completamente la válvula. 7.3 Válvulas de posición proporcional manejadas por un motor eléctrico Como vimos, en el control proporcional, debe haber un método para posicionar una válvula de control en cualquier posición intermedia. El método usual es conectar la válvula a un motor de inducción de baja velocidad y reversible. La Figura 23(a) ilustra tal arreglo para un regulador de posición variable.

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Figura 23 Cuando el controlador proporcional ve un error positivo proveniente del comparador, aplica 115 V AC al terminal A. Esto conecta el devanado 1 a través de la línea de 115 V y conecta el condensador de fase partida en serie con el devanado 2; esta combinación serie también es conectada a través de la línea AC. Esto hace que el motor gire en el sentido de las manecillas del reloj (asumámoslo) y hace que el regulador comience a cerrar la abertura a través del ducto. Cuando el potenciómetro de posición, el cual está íntegramente construido dentro del motor, envía al controlador la señal de posición apropiada, el controlador proporcional es satisfecho, y remueve la potencia del terminal A. Esto para el motor y libera el regulador en dicha posición. Cuando el controlador proporcional detecta un error negativo proveniente del comparador, aplica 115 V AC al terminal B. Ahora el bobinado 2 está conectado directamente a través de la línea AC, y el devanado 1 queda en serie con el condensador de fase partida. Esta serie es también a través de la línea AC. Esto hace que el motor gire en sentido contrario a las manecillas del reloj y hace que el regulador comience a abrirse. Cuando el motor ha girado lo suficiente, la señal del potenciómetro de posición equilibra la señal de error, y el controlador proporcional queda satisfecho. Remueve la potencia aplicada al terminal B, y el motor se detiene. Por tanto la válvula se detiene en una posición que está de acuerdo con la magnitud y polaridad de la señal de error. Cuando el motor ha alcanzado una cualquiera de sus posiciones extremas, en sentido de las manecillas del reloj o en sentido contrario, uno de los interruptores de fin de carrera se abrirá y remueve la potencia de los devanados. Después de esto, el motor solamente puede girar en la dirección opuesta. Esto se hará

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entonces cuando el controlador ordene que comience a girar en la otra dirección aplicando la potencia al terminal opuesto A o B. 7.4 Válvulas electro neumáticas Para válvulas pesadas, puede no ser práctico operarlas con un motor eléctrico. La inercia y fricción de la válvula podrían impedir la utilización de un motor eléctrico como dispositivo posicionador. En tales situaciones, la válvula es movida por una presión neumática o por una presión hidráulica. Operador electro neumático de válvula La Figura 24 es una ilustración esquemática de un operador electro neumático de válvula. La posición final de la válvula está determinada por la magnitud de la corriente eléctrica de entrada. Veamos cómo funciona. El brazo de balanza es un brazo metálico libre de fricción, pequeño, liviano, y de algunas pulgadas de largo. Está pivoteado en un punto de apoyo cercano a su extremo derecho. Cuando circula una corriente de entrada a través de sus terminales de entrada, la bobina del electroimán establece un campo magnético que interactúa con el campo del imán permanente. La fuerza resultante de esta interacción hala hacia arriba el brazo, el cual tiende a rotar en el sentido de las manecillas del reloj. La fuerza que tiende a hacer rotar el brazo en el sentido de las manecillas del reloj es proporcional a la cantidad de corriente que fluye a través de la bobina electromagnética. Si el brazo rota ligeramente en el sentido de las manecillas del reloj, su extremo izquierdo se moverá hacia arriba y restringe el escape de aire de la boquilla. Entre más cerca se encuentre el extremo izquierdo del brazo (denominado regulador de flujo) de la boquilla, menos aire puede escapar de ésta. A medida que disminuye la cantidad de aire que se escapa, aumenta la presión en el tubo de presión variable que sale de la boquilla. Esto sucede debido a que se reduce el movimiento de aire a través de la restricción fija, lo cual resulta en una menor caída de presión a través de la restricción y en consecuencia un aumento de presión más allá de la restricción. Esta presión más alta en el tubo de presión variable se aplica a la cámara del diafragma localizada encima del diafragma de la válvula. Esto ejerce una fuerza hacia abajo sobre el vástago de la válvula, con lo cual abre la válvula.* A medida que el vástago se mueve hacia abajo, hace que el resorte de realimentación ejerza una contra fuerza sobre el brazo de balance, tendiente a hacerlo rotar en sentido contrario de las manecillas del reloj.

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Figura 24 Conversor de señal electro neumático para operar un posicionador neumático La Figura 24.1 muestra una aproximación algo diferente para controlar neumáticamente una válvula de gran tamaño. Nuevamente, la señal original de entrad es una corriente eléctrica a través de la bobina de un electroimán. En este dibujo, la realimentación al brazo de balance no proviene de la válvula controlada sino que proviene de un fuelle. La presión neumática de salida es entonces balanceada adicionalmente contra la posición mecánica de la válvula. Veamos cómo trabaja. La corriente de entrada circulando por la bobina del electroimán crea una fuerza ascendente sobre el brazo de balance tendiente a hacerlo rotar en sentido de las manecillas del reloj. A medida que se mueve ligeramente en sentido de las manecillas del reloj, el conjunto boquilla/regulador de aire hace que aumente la presión de aire en el tubo que se encuentra por encima de la boquilla, tal como se describió en operador electro neumático de válvula. Esta señal de presión se aplica al fuelle de realimentación, el cual ejerce al brazo una fuerza hacia abajo, tendiente a hacerlo rotar en sentido contrario a las manecillas del reloj.

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Figura 24.1 El brazo se estabiliza cuando el torque en sentido de las manecillas del reloj proveniente del electroimán es igual al torque en sentido contrario proveniente del fuelle de realimentación. Por tanto la magnitud de la corriente de entrada determina exactamente la señal de presión aplicada al fuelle. Esta señal de presión es también enviada por un tubo de salida para utilizarse en otro lugar. Para resumir, toma una señal eléctrica de entrada y produce una señal de salida neumática proporcional. El convertidor se diseña de tal manera que la relación entre la presión de salida y la corriente de entrada sea bastante lineal. La señal de presión de salida es llevada a un posicionador neumático de válvula, que podría localizarse a cierta distancia del convertidor electro- neumático. La señal de salida del convertidor se convierte en la señal de entrada al posicionador de la válvula.

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La señal de entrada de presión al posicionador de la válvula tiende a expandir el fuelle de entrada hacia la derecha. El fuelle de entrada hace que el enlace mecánico A rote ligeramente en sentido contrario a las manecillas del reloj. A medida que esto sucede, el enlace desplaza el carrete en el pequeño cilindro piloto. Cuando esto sucede, es abierto el conducto del lado sellado (conducto superior) hacia el interior del cilindro piloto, aplicando alta presión de aire al lado sellado del cilindro de potencia. En ese mismo momento, el conducto del lado de la varilla es abierto hacia el orificio de evacuación localizado en la parte inferior del cilindro piloto, evacuando así el lado de la varilla del cilindro de potencia. De este modo el pistón del cilindro de potencia es empujado hacia abajo, moviendo hacia abajo el vástago de la válvula. A medida que el vástago de la válvula se mueve hacia abajo, hace que el enlace mecánico B rote en sentido de las manecillas del reloj. Esto comprime el resorte de realimentación, aplicando una fuerza tendiente a comprimir el fuelle. Cuando la fuerza de la presión de entrada es equilibrada por el resorte de realimentación, el enlace A regresa a su posición original. Esto centra el carrete del cilindro piloto, bloqueando los conductos de salida. El cilindro de potencia cesa de empujar, y libera la válvula en dicha posición. Por tanto tenemos una condición en la cual la abertura final de la válvula es determinada exactamente por la señal de entrada de presión. Con un diseño apropiado de los mecanismos del posicionador, la relación entre la abertura de la válvula y la presión de entrada puede hacerse bastante lineal. La situación total es que la abertura de la válvula está linealmente relacionada con la corriente de entrada al convertidor electro neumático. Este arreglo es bastante compatible con un controlador proporcional eléctrico o electrónico. 7.5 Válvulas electro hidráulicas En situaciones de control donde la válvula o el regulador es muy pesado, o donde sea difícil mantener la válvula en una posición estacionaria debido a las grandes fuerzas irregulares ejercidas por el fluido en movimiento, el mejor actuador es un posicionador hidráulico. También, si la válvula raramente se mueve, podría atascarse en una cierta posición. Esto puede suceder debido a que barro y desechos podrían alojarse en los enlaces móviles o en los ejes, haciendo muy difícil liberarlos cuando la válvula va a ser reposicionada. Un posicionador hidráulico, con su gran capacidad de fuerza, podría necesitarse para manejar este problema. En la Figura 25 se muestra un posicionador electro hidráulico de válvula, fácilmente adaptable a un controlador proporcional, se muestra en la Figura 10-6. Nuevamente, la señal de entrada es una corriente a través de la bobina de un electroimán. A medida que la corriente aumenta, se ejerce hacia la izquierda una gran fuerza sobre el brazo de balance vertical. Esto tiende a hacer rotar el brazo en sentido contrario a las manecillas del reloj. Al otro lado del punto de pivote, hacia abajo de la Figura 25, hay un relé de tubo inyector. El aceite hidráulico a alta

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presión es forzado a través del tubo inyector saliendo de la boquilla inyector a alta velocidad. Si el tubo inyector está perfectamente vertical, el chorro de aceite choca por igual en los orificios de la izquierda y la derecha. Por consiguiente no hay desbalance de presión entre los dos lados del relé inyector y el pistón hidráulico permanece en equilibrio. Sin embargo, si el electroimán mueve el tubo inyector ligeramente en sentido contrario a las manecillas del reloj, el orificio derecho experimentará más choque de aceite que el orificio izquierdo. Esto aumentará la presión hidráulica en la parte superior del cilindro hidráulico y disminuirá la presión en su parte inferior. El pistón del cilindro hidráulico de este modo será empujado hacia abajo. A medida que la varilla del cilindro se mueve hacia abajo, la palanca de realimentación rota en el sentido de las manecillas del reloj halada por la tensión del resorte A. El enlace a la izquierda de la palanca de realimentación aumentará la tensión en el resorte de realimentación B, tendiendo a hacer rotar el brazo de balance en sentido de las manecillas del reloj. Finalmente el pistón hidráulico se moverá lo suficiente de tal manera que el torque ejercido originalmente por el resorte de realimentación iguale exactamente el torque ejercido originalmente por el electroimán. En este momento el brazo de balance regresará a la posición vertical, y la presión es nuevamente igualada entre los lados izquierdos y derecho del relé tubo inyector. El pistón detiene su movimiento, y la válvula permanece en dicha posición. La posición final de la válvula está determinada por consiguiente por la magnitud de la señal de corriente de entrada.

Figura 25

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8. Relevadores y Contactores 8.1 Control de encendido, apagadores de corriente a una carga Cuando la corriente eléctrica es la variable manipulada en un sistema de control de bucla cerrada, con frecuencia el dispositivo corredor final es un relé o un contactor. Por ejemplo, en un proceso de calentamiento por electricidad, la temperatura podrá controlarse en el modo Todo o Nada, simplemente abriendo y cerrando un contacto que maneja al elemento calefactor, Esto se ilustra en la Figura 26. La Figura 26(a) muestra un elemento calefactor monofásico manejado por una fuente monofásica. Cuando el controlador recibe una señal de error positiva (la temperatura medida es mayor que el valor de referencia), desenergiza la bobina CA del contactor. Se interrumpe el flujo de corriente al elemento calefactor y permite que baje la temperatura. Cuando el controlador recibe una señal de error negativa, energiza la bobina CA. El contacto N.A. de CA se cierra, aplicando potencia al elemento calefactor y haciendo subir la temperatura. En una aplicación en la cual se requiera una mayor entrada de calor, el elemento calefactor podría ser un elemento trifásico manejado por una fuente trifásica tal como aparece en la Figura 26(b). En este caso el contactor deberá tener tres contactos, para poder abrir cada una de las tres líneas.

Figura 26 Elemento calefactor monofasico

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La única diferencia entre un relé y un contactor radica en la corriente y la capacidad de interrupción de sus contactos. Los contactores son capaces de manejar grandes corrientes, mientras que los relés solamente pueden manejar pequeñas corrientes. El contactor de la Figura 26 podría reemplazarse por un relé si la corriente de carga fuese suficientemente pequeña. 8.2 Histéresis de los relés Una particularidad interesante de los relés y los contactores es que por naturaleza tienden a proporcionar una zona de actuación para el control todo o Nada, debido a la histéresis inherente a su operación. Para hacer que un relé magnético se energize, la corriente por la bobina debe aumentar por encima de un cierto valor, denominado corriente de enganche o corriente de pull-in, para mover la armadura y conmutar los contactos. Sin embargo, una vez enganchado el relé, la corriente por la bobina debe caer por debajo de un cierto valor bajo de corriente para hacer que la armadura del relé regrese a su posición normal. Este valor bajo de corriente se denomina corriente de mantenimiento o corriente de drop-out. Esta acción se ilustra en la Figura 27(a). La razón de la diferencia entre la corriente de enganche y la corriente de mantenimiento puede entenderse fácilmente refiriéndose al dibujo estilizado de un relé en la Figura 27(b). El resorte hace levantar la armadura alejándola del núcleo cuando la bobina está desenergizada. Esto crea un entrehierro entre la parte superior del núcleo y el metal de la armadura. Cuando comienza a fluir corriente por la bobina, debe establecer un campo magnético suficientemente fuerte para hacer descender la armadura en contra de la tensión del resorte. Esto presenta algo de dificultad por dos razones:

Figura 27

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a. Hay un cierto entre-hierro en la bucla magnética; esto hace que el campo magnético sea débil comparado con lo que sería en una bucla continua de material magnéticamente permeable. b. La fuerza de atracción entre el núcleo y la armadura (polos magnéticos opuestos) es débil debido a la distancia entre los polos. Cuando los polos magnéticos están más apartados, la fuerza de atracción entre ellos es más débil, dejando todo lo demás igual. Si la corriente por la bobina es suficientemente grande, creará un campo magnético lo suficientemente fuerte para sobreponerse a estos impedimentos y la armadura será atraída. Cuando comienza a disminuir la corriente por la bobina, después que la armadura se ha movido, los dos impedimentos antes anotados ya no tienen efecto. Por tanto es más fácil mantener la armadura desplazada que cuando se desplazó inicialmente. Debido a esto, la corriente por la bobina puede caer considerablemente por debajo de su valor de enganche para poder mantener accionada la armadura. 8.3 Conmutación entre delta y estrella por contactor trifásico Un ejemplo interesante de utilización de un contactor trifásico como dispositivo corrector final en un proceso de calentamiento por electricidad se muestra en la Figura 28(a). Esto es básicamente un control Todo o Nada, con la excepción que la posición Nada no es en realidad completamente apagada. La idea es que cuando el contactor CA está desenergizado, los elementos calefactores trifásicos están conectados en configuración Y, y cuando CA es energizado, los elementos calefactores están conectados en configuración delta. En la configuración Y, la potencia trifásica entregada a ¡os elementos calefactores es mucho menor que la potencia entregada que cuando se conectan en delta. El controlador hace que CA se desenergize si la medida de temperatura está por encima del valor de referencia. Esto hace que la temperatura del proceso disminuya debido a la reducida potencia de entrada de la conexión Y (con la consiguiente reducción en el efecto calefactor). El controlador hace que CA se energice si la medida de temperatura está por debajo del valor de referencia. Esto hace que la temperatura del proceso aumente debido al incremento de la potencia de entrada en la conexión delta. Desde luego, el sistema debe diseñarse de tal manera que el calor generado por la conexión Y haga que la temperatura disminuya y que el calor generado por la conexión delta haga que aumente la temperatura. Para ver que los elementos están conectados en Y con CA desenergizado, estudiemos la Figura 28(b). Para producir la Figura 28(b), los contactos normalmente abiertos de CA se han suprimido del esquema de la Figura 28(a), de este modo se clarifica el dibujo. Es claro que los tres elementos están conectados en configuración Y .

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La Figura 28(c) muestra la situación con los contactos normalmente cerrados suprimidos del esquema de la Figura 28(a). Es claro que los elementos están en delta cuando CA está energizado. Hemos establecido que el calor generado por una conexión delta es mayor que el generado por una conexión Y porque la potencia eléctrica entregada a los elementos es mayor en delta que en Y.

Figura 28 Conmutación entre delta y estrella por contactor trifásico 9. Tiristores como dispositivos de corrección final Cuando la variable manipulada es la corriente eléctrica y la entrega debe ser de variación continua, los relés y los contactores no pueden ejecutar el trabajo. En sistemas modernos de control, los tiristores de potencia, como los SCR y triacs, se utilizan como dispositivos correctores finales para tales aplicaciones. En cada uno de los sistemas calefactores discutidos en la sesión reles y contactores, un tiristor podría haberse usado en lugar de un relé o un contactor operado magnéticamente. Los tiristores se acomodan bastante bien al control proporcional de temperatura. Puede hacerse variar el ángulo de conducción proporcionalmente error entre la medida de temperatura y el valor de referencia. Esto varia en forma 77

continua, el flujo de corriente hacia el elemento calefactor, proporcionando los beneficios del control proporcional. Pueden adicionarse al sistema los modos de control integral y/o derivativo adicionando la circuitería apropiada. Desde luego, no todas las aplicaciones de los tiristores involucran control de buda cerrada de flujo de corriente. Hay mucho sistema de buda abierta en que los tiristores sirven como dispositivo de control. En un sistema de bucla abierta con tiristor, la corriente hacia la carga es variable continuamente; pero desde luego no se efectúa comparación entre el valor medido y el valor de referencia para efectuar un ajuste automático de la corriente. Como ejemplo de un SCR en un sistema de control de temperatura de bucla abierta, simplemente sustituya la carga de la Figura 29 por un elemento calefactor resistivo e imagine que este elemento está entregando energía calorífica a una cámara de proceso. Si R2 es ajustada, al ángulo de disparo del SCR varía, variando la corriente a través del elemento calefactor y por consiguiente la potencia entregada al proceso de calefacción. Para un conjunto dado de condiciones del proceso, un ajuste dado de R2 producirá una temperatura de proceso dada. Desde luego, si cualquier condición del proceso cambia (si ocurre un disturbio), esta selección particular de R2 hará que se establezca una temperatura diferente. En una situación de buda abierta, el ángulo de disparo del SCR no es alterado automáticamente para corregir la temperatura. La temperatura simplemente permanecerá donde quiera que las condiciones del proceso lo ordenen.

Figura 29 SCR Los tiristores tienen muchas otras aplicaciones industriales a más de variar el flujo de corriente por elementos calefactores. Pueden utilizarse para variar la corriente por un electroimán cuya fuerza magnética de atracción debe ser variable; pueden utilizarse para variar la corriente por una bombilla incandescente en situaciones donde deba variarse la intensidad luminosa; pueden utilizarse para variar la corriente de soldadura con el objeto de alterar sus propiedades, pueden utilizarse como dispositivos de secuencia. Pero su utilización más importante es en la variación de corriente a través de los devanados de un motor para ajustarle la velocidad.

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10. Servomotores de AC y servomotores de DC Servomotores de AC Como sabemos, cuando la variable controlada en un sistema de bucla cerrada es una posición mecánica, el sistema se denomina un servo sistema. Un arreglo más general de lo que es un servo sistema se muestra en la Figura 30.

Figura 30 Servo sistema El potenciómetro de referencia localizado a la izquierda se ajusta para expresar la posición deseada del objeto controlado. Probablemente habrá alguna especie de escala adherida al potenciómetro de referencia. Dicha escala relacionará la posición del eje del potenciómetro con la posición mecánica del objeto controlado. Por ejemplo, si el servo sistema hace posible posicionar el objeto controlado en un punto cualquiera en un rango de 12 pies, el dial del pot de referencia tendría marcas igualmente espaciadas a un doceavo de la rotación total del eje del pot. Entonces cada marca podría “traducirse” en 1 pie de movimiento mecánico del objeto. El operador podría decidir qué posición mecánica del objeto quiere, girando el dial del pot de referencia al número apropiado en la escala, e irse. El servo sistema haría el resto de trabajo de posicionamiento del objeto controlado donde se supone que debe ser. Hay muchas razones para la utilización de servo sistemas de control en la industria. Entre ellas están las siguientes: a. El objeto puede ser muy macizo y/o pesado, de modo que un humano no podría manejarlo directamente. Puede ser manejado convenientemente solamente por un servo mecanismo especialmente diseñado para dicha tarea. b. El objeto puede ser inaccesible, o inconveniente para cogerlo. La selección remota y el carácter de ajustable de un servo sistema es entonces un gran beneficio. c. El objeto puede ser peligroso para estar cerca. La capacidad de ajuste remoto permite al operador ejercer control sin exponerse él mismo al peligro.

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Por estas y otras razones, los servo sistemas son muy útiles en el control industrial. En esta sección estudiaremos el más común dispositivo corrector final de un servo sistema, el servo motor AC. Un servo motor AC es esencialmente lo mismo que el motor AC de fase partida. Hay una ligera diferencia importante entre un motor de fase partida promedio y un servo motor AC. Es que el servo motor tiene barras conductoras más delgadas en el rotor de jaula de ardilla, de modo que es alta la resistencia del conductor .A medida que progresemos con nuestra discusión de los servo motores AC resaltaremos porqué se necesita esta característica. Los dos devanados de un servo motor AC se conocen como el devanado principal y el devanado de control. Algunas veces al devanado principal se denomina devanado fijo. La palabra fase con frecuencia se sustituye por la palabra devanado. Entonces utilizaremos los términos fase fija y fase de control para describir los devanados de campo de un servo motor.

Figura 30.1 Circuito de un servo motor AC y curva de velocidad de control para un servo motor AC. Servomotores de DC Como se mencionó en servomotores AC, generalmente se prefiere los servomotores AC a los servomotores DC, excepto por la utilización en sistema de muy alta potencia. Para los sistemas de muy alta potencia, se prefiere los motores DC debido a que marchan más eficientemente que los servomotores AC comparables. Estos los habilita para permanecer más fríos. Un motor eficiente también evita un excesivo desperdicio de potencia, aun cuando generalmente el desperdicio de energía no es un factor primario en los servomecanismos. Un servo motor DC no es diferente de cualquier otro motor shunt DC de uso general. Tiene dos devanados separados; son el devanado de campo, colocado en el estator de la maquina y el devanado de armadura, colocado en el rotor de la maquina. Ambos devanados están conectados a una fuente de voltaje DC. En la mayoría de las aplicaciones de los motores shunt y manejados por una fuente DC, 80

pero en servo aplicaciones, los devanados están manejados por fuentes DC separadas, figura 31.

Figura 31 Devanados en servo aplicaciones El devanado de campo de un motor DC generalmente se simboliza esquemáticamente como una bobina. El devanado de campo esta conectado a la fuente de voltaje DC indicada por VF en la figura 31. el devanado de armadura de un motor DC se simboliza esquemáticamente como un circuito en contacto con dos cuadrado. Esto sugiere al aspecto físico de una armadura DC como un cilindro que tiene escobillas deslizante contra su superficie. El devanado de armadura esta conectado a una fuente de voltaje DC indicada por VA.

Figura 32, Circuito de control para un servo motor DC. a) método que utiliza una fuente AC de un devanado. b) método que utiliza una fuente AC de dos devanados.

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EJERCICIOS DE AUTO EVALUACION I. Cual es la función de los siguientes elementos: a)Tacometro b) Fuelle c) Termopar d)Celdas fotovoltaica.

II. Cual es la diferencia entre una válvula electro neumática y una válvula electro hidráulica?

III. Cual es la diferencia entre un servomotor AC y un DC.

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UNIDAD III: CONVERTIDORES ELECTRO ENERGÉTICOS AC/DC, AC/AC, DC/DC, Y DC/AC. 1. Introducción a los sistemas convertidores Electro energéticos La utilización de los convertidores CA-CD en la industria moderna tiene un aún un peso considerable, sobre todo en lo relativo a las fuentes de CD para recubrimientos ornamentales, cargadores de baterías, fuentes para la automática en subestaciones etc. Por tal motivo el diagnóstico del estado técnico de estos convertidores juega un papel importante en los indicadores técnico económico del proceso industrial donde estén involucrados. Las pruebas o ensayos aquí descritos tienen el objetivo de a partir de sus resultados obtener la información que permita detectar una falla incipiente, que si bien no acarrea deficiencias notables en el funcionamiento inmediato de la fuente de CD, de no tomarse las medidas adecuadas, pudiera ocasionar trastornos de envergadura en un futuro mediato con las consecuentes pérdidas que siempre acarrea una avería o salida de servicio no prevista. En el trabajo se presentan de manera resumida las pruebas y ensayos propuestos, especificando en cada caso los parámetros de diagnóstico que de ellos se derivan y las fallas que con ellos pueden detectarse. 2. Convertidor AC / DC Rectificadores de Diodos Un circuito rectificador por diodos (Figura 1) convierte voltaje de CA en un voltaje fijo de CD. El voltaje de entrada al rectificador puede ser monofásico o trifásico. El flujo de energía únicamente es hacia la derecha.

Figura 1, Convertidor rectificador monofásico Rectificadores Controlados Un circuito rectificador controlado funciona de igual manera que los construidos con diodos pero se construyen con dispositivos como el SCR (Figura 2), para

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obtener manejo de corriente de onda completa y aprovechar al máximo la señal de salida rectificada.

Figura 2, Convertidor monofásico CA-CD El valor promedio del voltaje de salida se puede controlar variando el tiempo de conducción de los tiristores o el ángulo de retrazo de disparo,  de ahí su nombre. La entrada puede ser una fuente mono o trifásica. 3. Convertidor AC/AC Estos convertidores se utilizan para obtener un voltaje de salida de corriente alterna variable a partir de una fuente de corriente alterna fija, la figura 3 muestra un convertidor monofásico con un TRIAC. El voltaje de salida se controla mediante la variación del tiempo de conducción del TRIAC o el ángulo de retraso de disparo, . Estos tipos de convertidores también se conocen como controladores de voltaje de CA. Y podemos encontrar dentro de estos el ciclo convertidor y el control de abrir y cerrar (o mandos a periodos).

Figura 3, Convertidor monofásico CA-CA 4. Convertidor DC/DC En muchas aplicaciones industriales, es necesario convertir una fuente de CD de voltaje fijo a una fuente de CD de voltaje variable. Un pulsador de CD, convierte directamente de CD a CD, por lo que también se conoce como convertidor de CD a CD. También se dice trozador o “chopper” en ingles.

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Se utilizan ampliamente en el control de motores, reguladores de voltaje de CD y pueden utilizarse también en el freno de motores. Principio de Operación El principio de esta operación puede explicarse a partir de la figura 4.

(a)

(b) Figura 4

Cuando se cierra el interruptor S durante un tiempo t, el voltaje de entrada Un, aparece a través de la carga. Si el interruptor se mantiene abierto (figura 4.a) durante un tiempo T-t, el voltaje a través de la carga es cero. Las formas de onda correspondiente al voltaje de salida y de la corriente de carga se muestran también en la (figura 4.b). El interruptor pulsador generalmente es un dispositivo semiconductor con características de activación y desactivación controladas. Se pueden poner en práctica utilizando (1) un BJT de potencia, (2) un MOSFET de potencia, (3) un TIRISTOR de conmutación forzada. Si la carga no es pura como en el ejemplo anterior y contiene una inductancia la situación es diferente en cuanto al voltaje de salida ya que la corriente en la carga continua fluyendo debido a esta inductancia y se utiliza un diodo de marcha libre como en el siguiente caso.

Existen tres tipos de control: 1-. Operación a frecuencia constante / control de modulación por ancho de pulso (PWM).

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2-. Operación a frecuencia variable / control de modulación por frecuencia.

3-. Control de modulación por ancho de pulso y frecuencia.

Aplicaciones: Resistencia pulsada para frenar motores

BC es la resistencia (externa) y ZK es el condensador del circuito de CD, el MOSFET es el trozador.

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Fuentes de poder de CD en modo conmutación

Figura 5 Un regulador lineal solamente logra un rendimiento de 30 a 50% y sirve para potencias menores de 100W.

Figura 5.1 Regulador lineal Para convertir y estabilizar (regular) voltajes de CD de alta potencia (hasta 2500W) se utiliza pulsadores. Estas fuentes tienen un rendimiento entre 70 y 90%. El pulsador opera con una frecuencia alta en el rango de los Khz. Esto permite que el tamaño del transformador y el filtro se reduzcan bastante.

Figura 5.2 5. Convertidor DC/AC Los convertidores de CD-CA (Figura 6) se conocen como inversores. La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada en CD a un voltaje de salida en CA, con la magnitud y frecuencia deseadas.

(a) Figura 6 Convertidor CD/CA-

(b)

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En los inversores ideales, las formas de onda de voltaje de salida deberían ser senoidales. Sin embargo, en los inversores reales no son senoidales. Para aplicaciones de mediana y baja potencia, se pueden aceptar los voltajes de onda cuadrada o casi cuadrada; para aplicaciones de alta potencia, son necesarias las formas de ondas senoidales. En la figura 6.1 se puede observar que una señal cuadrada consiste de varias señales senoidales. La onda fundamental, determina la frecuencia de la salida y la potencia útil del inversor. Las demás son corrientes armónicas que causan un aumento de la temperatura de la carga (perdidas).

Figura 6.1 Señales senoidales Dada la disponibilidad de los dispositivos semiconductores de potencia de alta velocidad, es posible minimizar o reducir significativamente el contenido armónico del voltaje de salida mediante las técnicas de conmutación. El uso de inversores es muy común en aplicaciones industriales. Como por ejemplo:    

Propulsión de motores de CA de velocidad variable. Calefacción por inducción. Fuentes de respaldo. Alimentaciones ininterrumpibles de potencia.

Los inversores se pueden clasificar en dos tipos: Inversores monofásicos En puente (puente H) Durante la media onda positiva Q1y Q2 están conduciendo y Q3 y Q4 conducen durante la media onda negativa (Figura 6.12). Si la carga es inductiva (como motores) la corriente no puede cambiar inmediatamente con el voltaje. Por esto la onda de la corriente prácticamente es casi senoidal.

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Figura 6.2 En puente puente h Los cuatros diodos de realimentación o diodos de marcha libre. Son necesarios para permitir el flujo de la corriente cuando los interruptores de abren. Cuando por ejemplo Q1 y Q2 se desactivan, debido a la inductividad de la carga, la corriente sigue fluyendo. En este momento pasa por D3 y D4. La energía magnética es realimentada a la fuente. Inversor trifásico Los inversores trifásicos (Figura 6.3) se utilizan normalmente en aplicaciones de alta potencia. Tres inversores monofásicos de medio puente o de puente completo pueden conectarse en paralelo, tal como se muestra en la figura, para formar la configuración de un inversor trifásico.

Figura 6.3 Inversor trifasico Las señales de compuerta de los inversores monofásicos deben adelantarse a retrasarse 1200 uno con respecto al otro, a fin de obtener voltajes trifásicos balanceados. Cada tipo puede utilizar dispositivos de activación y desactivación controlada es decir BJT, MOSFET o tiristores de conmutación forzada, según la aplicación.

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EJERCICIOS DE AUTO EVALUACION I. Indique que tipo de convertidor es el siguiente: a)

b)

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GLOSARIO Switch: Interruptor Shockley: Choque, Amortiguación. Pull in: Tirar Adentro. Shut: Cerrar, Apagar. PNPN: positivo-Negativo-Positivo-Negativo (corresponde a la configuración de un SCR. Laser: Light Amplification by Stimulated Emisión of Radiation( ESTIMULACION AMPLIFICADA DE LUZ POR EMISION DE RADIACION).

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BIBLIOGRAFIA Electrónica Industrial Moderna, Tercera Edición J. Maloney , Pretince-Hall Hispanoamericana. S.A.

Timothy

Teoría de Circuitos, Cuarta Edición. Robet Boylestand y Louis Nasshelsky , Pretince-Hall Hispanoamericana. S.A.

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