TEMA 4 – TRANSDUCTORES Y ACTUADORES - Profe Saul

TEMA 4 – TRANSDUCTORES: SENSORES YACTUADORES1 - SENSORES RESISTIVOS1.1 - Detectores de temperatura resistivos (RTD)Este tipo de sensores (cuyas siglas corresponden a Resistive TemperatureDetector) se basan en una propiedad de algunos metales, que hace que su resistenciavaríe en función de la temperatura a la cual se ven sometidos. Muchas veces, estavariación es lineal. Los metales que se suelen utilizan son el Pt (Platino), y el Ni(Níquel).Pueden ser de dos tipos:‣ NTC (Negative Temperature Coefficient) en el caso de que la resistenciadisminuya con el aumento de temperatura.‣ PTC (Positive Temperature Coefficent) en caso contrario, es decir, su resistenciaaumenta a medida que aumenta la temperatura.La resistencia de la RTD se caracteriza como:R = R 0 (1 + α∆T)R = R 0 (1 - α∆T)(PTC)(NTC)∆T = (T - T 0 ) = (T - 273)donde la temperatura a que se encuentra la RTD se expresa en grados Kelvin. De estaforma, cuando T = 273K (0 ºC), entonces tenemos que R = R 0 , por lo que R 0 es laresistencia a cero grados centígrados.La sensibilidad (S) es la pendiente de la curva de calibración:R(T) = R 0 (1 + α(T - T 0 )) = R 0 + R 0 α(T - T 0 ) = R 0 + R 0 αT - R 0 αT 0dR(T)/dT = R 0 αEn concreto para la RTD no utilizamos este resultado, sinoS = (d R(T)/dT)/R 0 = αEl parámetro α se denomina coeficiente de temperatura.1.1.1 - AjusteEl principal problema que plantean este tipo de sensores consiste en que, en casode montarlos a distancia del circuito de control, la resistencia del cable empleadocontribuye a modificar la resistencia del propio sensor alterando el valor medido. Ello1

obliga a recalibrar el sensor una vez instalado para compensar adecuadamente estadesviación.Otra posibilidad para compensar esta desviación consiste en emplear un conexionado decuatro hilos en lugar de dos, como el mostrado en la Figura 1. Con esto se consigue quela corriente que fluye a través de los cables de conexión del sensor con la unidad decontrol (medida) sea insignificante y que apenas contribuya a modificar la medición queresultará, por tanto, prácticamente independiente de la longitud de cable empleada. Paraque se dé esta circunstancia es necesario que la impedancia de entrada del instrumentode medida R instr sea mucho mayor que la resistencia del sensor.Figura 1 – Uso de un conductor de 4 hilos para eliminar la contribución de la resistencia del cable1.2 - TermistoresEl termistor también varía su resistencia eléctrica en función de la temperatura,como la RTD, pero con la diferencia de que esta variación no es lineal, sinoexponencial.Al igual que los sensores RTD, los termistores también pueden ser del tipo NTC o deltipo PTC.R=R e01 1B(− )T T 0Otra diferencia es que T 0 no es la temperatura a cero grados centígrados, sino que es latemperatura ambiente expresada en grados Kelvin :T 0 = 25 ºC = 273 + 25 = 298 KCuando T = 298K (25 ºC), entonces tenemos que R = R 0 , por lo que R 0 es la resistenciaa temperatura ambiente (25 ºC).Para el termistor no se suele emplear la definición habitual de sensibilidad, sino que aligual que sucede con las RTD se emplea una sensibilidad relativa a la resistencia delpropio termistor, lo cual podría considerarse una normalización:2

dR(T )S = dTR0− B=2TLa dependencia no lineal del valor de la resistencia del termistor con la temperaturahace aconsejable emplear montajes que permitan obtener cierto grado de linealidad.1.2.1 – Linealización del termistor mediante resistencia en paraleloSe puede aumentar la linealidad de un termistor añadiendo una resistencia enparalelo de valor R. La resistencia resultante R p presenta una linealidad mayor y unamenor dependencia con la temperatura, es decir, una menor sensibilidad. El valor de laresistencia equivalente del conjunto termistor-resistencia en paralelo sería (llamando R Ta la resistencia del termistor):RRTRp=R + Rdonde puede apreciarse que, aunque la función R T es exponencial, al figurar tanto en elnumerador como en el denominador, el comportamiento del circuito resultante se halinealizado considerablemente.La sensibilidad pasará a corresponder a la variación de R p (la resistencia equivalente),que podemos expresar como la derivada de R p respecto de la temperatura T, y por lotanto:TdRdTp2R( R + R= 2T)dRT⋅dTComo podemos ver, la variación respecto de la temperatura de la resistencia equivalentees menor que la del termistor sin linealizar, dado que el factor2RR + R(T)2es siempre menor que la unidad. Por otro lado, la resistencia equivalente R p es máslineal respecto de la temperatura. Ganamos en linealidad, pero a costa de reducir lasensibilidad.1.2.2 – Linealización del termistor mediante divisor de tensiónEn este caso se confecciona un divisor de tensión conectando en serie eltermistor y una resistencia R y alimentando el conjunto con una fuente de tensión V talcomo muestra la Figura 2.3

Figura 2 – Linealización del termistor mediante divisor de tensiónLa tensión de salida V s la medimos precisamente en la resistencia R (es decir, será lacaía de tensión producida por esta resistencia ya que se encuentra conectada a lareferencia de potencial):1 1B(− )T T0 R( T ) = R0e= R0f ( T )Denominando f(T) a la expresión exponencial para simplificar:V R11=V = V = VsR f ( T ) R R0f ( T ) 1kf ( T ) 10+++Rdonde hemos definido k como R 0 /R y será el parámetro que modelará la forma de lacurva linealizada. A medida que aumenta el valor de k, la curva característica deltermistor pasa a ser más lineal pero, como en el caso anterior, a costa de perdersensibilidad. Tenemos que:V 1= V = F(T Vskf ( T ) + 1)donde, nuevamente para simplificar, hemos llamado F(T) a la fracción que, además,representa la sensibilidad del sistema. Normalmente se pretenderá que 0 ≤ F( T ) ≤ 1. Apartir de esto, se fijará k de forma que el comportamiento del termistor sea lo más linealposible en el intervalo de temperaturas en que se empleará.1.3 - PotenciómetrosEl potenciómetro lo podemos ver como dos resistencias, una de valor R p x (donde0 ≤ x ≤ 1) y la otra de valor R p (1 - x) = R p α. Evidentemente, cuando se utiliza comoresistencia variable, es decir, empleando solamente una de sus dos ramas (en cuyo casose denomina reostato), no hace falta hacer los cálculos con ambos valores sino quebasta utilizar uno de los dos, por ejemplo R p x.Este efecto se consigue mecánicamente montando un cursor deslizante que recorre unaresistencia de valor fijo R p (habitualmente consistente en una película de materialconductor) dividiéndola en dos partes complementarias, como muestra la Figura 3.4

Figura 3 – Esquema de un potenciómetroExisten gran variedad de potenciómetros dependiendo de la aplicación a que sedestinan. Ello implicará determinadas características relativas a la precisión, potenciaadmitida, durabilidad, resistencia mecánica de giro, número de vueltas, tipo demecanismo, etc. A continuación se presenta una clasificación en función de diferentescriterios.Atendiendo al desplazamiento del cursor pueden ser:‣ Circulares: El desplazamiento del cursor se consigue girando un eje al que estáunido. Con el movimiento, el cursor recorre la resistencia que posee formacircular.‣ Lineales: El cursor realiza un movimiento rectilíneo a lo largo de una guía.Existe la posibilidad de que el mecanismo que acciona el cursor consista enun tornillo y que, por lo tanto, el movimiento del mando del cursor seacircular mientras que el desplazamiento de éste es lineal.Las técnicas empleadas para obtener la pista conductora que el cursor recorrerá sereducen a dos posibilidades:‣ Película depositada: Sobre un soporte aislante se deposita una películaformando una pista que será recorrida por el cursor. Es posible obtenerpotenciómetros de tamaño muy reducido. Permiten una regulación continua.‣ Bobinados: En este tipo la resistencia se obtiene arrollando un cable conductor(con una conductividad no muy elevada para que el cable no tenga que sermuy largo) alrededor de un soporte aislante (cerámico, plástico, etc).Soportan corrientes elevadas pero su tamaño es muy grande. Además laresistencia obtenida no es regulable de forma continua, sino en incrementosdel valor de la resistencia de una espira. Como inconveniente específico cabedestacar una elevada inductancia debida a su forma de bobina, que les haceinadecuados para señales de alta frecuencia.Las cuales, combinadas con diferentes materiales de la pista conductora darán lugar alas siguientes posibilidades:‣ Película depositada de carbón: Están constituidas por carbón coloidal (negro dehumo), mezclado en proporciones adecuadas con baquelita y plastificantes.Dan lugar a potenciómetros de reducido tamaño con escasas posibilidades dedisipación de potencia (máximo 2W) y tolerancias estándar de 10% y 20%.Permiten una regulación continua. Su coste es muy reducido. Como5

desventaja específica se puede señalar una dependencia no despreciable conla temperatura del valor de la resistencia ofrecida por la película de carbón.‣ Película depositada metálica: Las capas de estos tipos de resistencias estánformadas en base a mezclas de óxidos de estaño y antimonio depositadassobre un soporte generalmente de vidrio. El cursor, como en las de capa decarbón, suele ser de aleaciones de cobre y oro o plata, tomando losterminales de salida en contactos metalizados practicados sobre la capa.Permiten dispar potencias algo más elevadas (hasta 4W) con unastolerancias bajas (1%, 2% y 5%) y muy buena linealidad (0,05%). SU costees elevado.‣ Película depositada tipo Cermet: La capa está constituida por mezclaaglomerada de materiales vítreos y metales nobles, depositada sobre unsubstrato de cerámica. Suelen presentarse en tamaños reducidos, adecuadospara ajustes dada la gran precisión y linealidad que alcanzan, sobre todo losmodelos lineales multivuelta. Este tipo de potenciómetros destinados amontaje en circuito impreso para permitir ajustes del mismo se denominantrimmers (sean cuales sean sus características).‣ Bobinados de pequeña disipación: La constitución de este tipo de resistencias esmuy parecida a la de las resistencias bobinadas fijas. Suelen usar los mismosmateriales, aleaciones Ni-Cu para pequeños valores de resistencia, y Ni-Crpara valores altos. Su principal aplicación es la limitación de corriente encircuitos serie, por lo que se pueden denominar reostatos, aunque la potenciaque pueden aguantar no es muy elevada, por lo que también losencontraremos en aplicaciones como potenciómetros. Los valores estándarque se pueden conseguir por este método son limitados, resultando comomáximo de 50 KΩ. Pueden disipar potencias de hasta 8W y se presentan entolerancias de 5% y de 10%.‣ Bobinadas de potencia: Se pueden comparar a los modelos vitrificados de altaprecisión de las resistencias fijas. Este tipo de resistencias son las querealmente se denominan reostatos, capaces de disipar elevadas potenciasaplicadas como limitadores de corriente. El rango de valores que se puedeobtener es limitado, dependiendo de la potencia máxima a disipar y puedeser de como máximo de 5 KΩ para 100W y 10 KΩ para 250W si bien lapotencia disipada puede llegar a los 1000W y su temperatura máxima defuncionamiento a los 200 ºC. Se presentan en tolerancias de 5% y de 10%.‣ Bobinadas de precisión: En este tipo se usan aleaciones metálicas de pequeñaresistividad (Au-Ag) en lugar de aumentar el diámetro del hilo y asíconseguir pequeños valores con reducidas dimensiones. Por sus aplicaciones,a este tipo se les suele denominar trimmers bobinados. Llegan a disiparpotencias de 1,5W, con valores de resistencia limitados a un máximo de100KΩ y tolerancias de 1% y de 5%. Se pueden presentar en montajesmultivuelta con una resolución de 0’0001 Ω.El comportamiento respecto de la linealidad puede ser, como se muestra en la Figura 4:‣ Lineal: El valor de resistencia obtenido es proporcional a la posición del cursorcon una constante de proporcionalidad que le confiere comportamientolineal.‣ Logarítmico: La relación entre la posición del cursor y la resistencia obtenida eslogarítmica, de forma que la posición del cursor es proporcional al logaritmo6

de la resistencia. Este tipo de potenciómetros son de utilidad cuando actúansobre la frecuencia o la amplitud de una señal acústica, ya que el oídohumano percibe ambas magnitudes de forma logarítmica y eso hace que laacción sobre el potenciómetro nos parezca lineal. Se obtienen depositandouna película de grosor variable.‣ Antilogarítmico: Para conseguir el efecto contrario al del caso anterior.‣ Log-Antilog: Presenta comportamiento logarítmico en una mitad del recorridodel cursor y antilogarítmico en la otra mitad, resultando coincidir en su valormedio con uno de comportamiento lineal.Figura 4 – Comportamientos de un potenciómetro respeto de la linealidad1.4 - Galgas extensiométricasSirven para medir la presión o el esfuerzo aplicado, y se basan en que al someterla galga a presión se produce en ella una variación de su longitud y el diámetro de susección, y por lo tanto, varía su resistencia eléctrica. Debido a esto, la resistencia quepresentará la galga extensiométrica corresponderá a un valor inicial R 0 más unincremento debido a la deformación ∆R, de forma que:R = R + ∆R= R0(1+0xdonde R 0 es nuevamente la resistencia a temperatura ambiente, normalmenteconsiderada de 25 ºC = 298 K. A su vez, x representa el incremento de resistencia)7

sufrido por la galga como consecuencia de la deformación, empleando como unidad laresistencia de la galga en reposo.Figura 5 – Puente de Wheatstone para galga extensiométricaPara que exista linealidad debe cumplirse que x

Figura 6 – Linealizador para puente de WheatstoneSupóngase, para simplificar, que R 1 =R 2 =R 4 =R 0 . La entrada no inversora del operacional(v + ) está conectada directamente al divisor de tensión formado por R 1 y R 4 que son1iguales, por lo cual v+ = vref. El resto del circuito consiste en una fuente de tensión2conectada mediante R2 a la entrada inversora del operacional (v - ) y una realimentaciónentre ésta y la salida v out .Considerando que la corriente que recorre R 2 es la misma que recorre R 3 (empleando latécnica habitual de análisis de amplificadores inversores con operacionales) elcomportamiento de este circuito puede expresarse como:vref− v−v−− voutIR= = = I2R0R0(1+ x)R3expresión de la cual se puede despejar v out para obtener:v− x=2outv refque constituye una dependencia lineal del voltaje de salida del circuito con la variacióndel valor de la resistencia de la galga extensiométrica.1.5 - FotorresistenciasLa LDR (Light Dependent Resistor), también conocida como fotorresistencia ofotoconductor, es un sensor cuya resistencia eléctrica varía en función de la intensidadde luz que recibe.El funcionamiento de este semiconductor se basa en que al incidir fotones sobre eldispositivo, entonces el semiconductor los absorbe en forma de energía, de manera quelos electrones de la banda de valencia saltan a la de conducción, siempre que la luzincidente tenga la suficiente frecuencia, o en otras palabras, la suficiente energía.El resultado es, por lo tanto, la disminución de la resistencia eléctrica del dispositivo,dado que el electrón libre (y el hueco asociado) se genera en la banda de conducción.Podemos dividir las fotorresistencias en dos tipos, que son los dispositivos intrínsecos, ylos extrínsecos.9

En el caso de los intrínsecos, los únicos electrones que tienen la capacidad de saltar a labanda de conducción están situados en la banda de valencia, y necesitan una elevadaenergía para pasar a la banda de conducción.Los extrínsecos se dopan con impurezas, por lo que los electrones adquieren una energíainicial mayor que en el caso intrínseco, y por lo tanto, es necesaria una energía(frecuencia, intensidad) menor para pasar a la banda de conducción.La resistencia LDR se caracteriza como:Rdonde:R Resistencia de la LDR−α= AEA, α Dependen del semiconductor utilizadoE Densidad superficial de energía recibida1.6 - Otros transductores resistivosExisten otros tipos de sensores resistivos aunque por su limitado uso puedenconsiderarse más exóticos que los vistos.Se comentan a continuación magnetorresistencias e higrómetros resistivos.1.6.1 - MagnetorresistenciasSe trata de dispositivos cuya resistencia varía en función de la dirección eintensidad del campo magnético en que se encuentran inmersos. Normalmente seemplean como detectores de presencia combinados con imanes fijos o conelectroimanes y con una circuitería de comparación que genera una salida todo-nada.1.6.2 - Higrómetros resistivosEstán compuestos por un sustrato cerámico aislante sobre el cual se deposita unamatriz de electrodos. Estos electrodos se cubren con una sal sensible a la humedadembebida en una resina (polímero). La resina se recubre entonces con una capaprotectiva permeable al vapor de agua. A medida que la humedad penetra la capa deprotección, el polímero resulta ionizado y estos iones se movilizan dentro de la resinaaumentando su conductividad.El porcentaje de humedad relativa del ambiente puede entonces obtenerse midiendo laresistencia del sensor. Para ello se emplean tanto métodos basados en corriente continua(puente de Wheatstone) como alterna (frecuencia resonancia de un circuito RC).10

2 - SENSORES DE REACTANCIA VARIABLE YELECTROMAGNÉTICOS2.1 - Sensores capacitivosUn condensador es un dispositivo capaz de almacenar carga eléctrica, compuestopor dos placas conductoras paralelas separadas una distancia d por un material aislantedenominado dieléctrico. Se define su capacidad como la carga eléctrica que hay quealmacenar en el condensador para que la diferencia de potencial entre sus dos placas seade un voltio.qC =VTambién lo podemos definir a partir de la relación entre la superficie de las placas y ladistancia entre ellas, multiplicado por la constante dieléctrica del material que separa lasplacas.SC = εddonde:SdεÁrea de las placas conductorasDistancia entre placas conductorasConstante dieléctrica (depende del dieléctrico)2.1.1 - Condensador variableUn condensador variable suele consistir en un condensador con una de susplacas fija y la otra móvil. La configuración más habitual consiste en que las dos placastienen forma de semicírculo y poseen un eje común. Haciendo girar la placa móvil sepuede variar la cantidad de superficie de ambas placas que queda enfrentada y, portanto, la capacidad del condensador resultante.Este tipo de condensadores suele emplearse para sintonizar la frecuencia de resonanciade circuitos de alterna, pero también puede utilizarse para detectar el giro de un eje enfunción de la capacidad.2.1.2 - Condensador diferencialSe trata de un sensor construido a partir de dos condensadores que compartenuna misma placa central, que es móvil. Esta última será unida mecánicamente al sistemacuyo desplazamiento se desee medir.De esta forma, la placa central podrá desplazarse acercándose a una de las placas fijasmientras se aleja de la otra o viceversa. Llamando x a la distancia que la placa central sedesvía de su posición de reposo, se puede expresar la capacidad de cada uno de los doscondensadores como:C1S= εd + xC2= εdS−x11

Cuando este eje está en la posición central entonces x = 0, mientras que a medida que seva moviendo, va cambiando el valor de x, y por lo tanto, la capacidad de los doscondensadores asociados.Así pues, este tipo de sensor puede emplearse para medir pequeños desplazamientoslineales o vibraciones.2.2 - Sensores inductivosInductancia (también denominada inductancia propia) es la propiedad de uncircuito o elemento de un circuito para retardar el cambio en la corriente que loatraviesa. El retardo está acompañado por absorción o liberación de energía y se asociacon el cambio en la magnitud del campo magnético que rodea los conductores.En cualquier circuito, todo flujo magnético alrededor de los conductores que transportanla corriente, pasa en la misma dirección a través de la ventana formada por el circuito.Cuando el interruptor de un circuito eléctrico se cierra, el aumento de corriente en elcircuito produce un aumento del flujo. El cambio del flujo genera un voltaje en elcircuito que se opone al cambio de corriente. Esta acción de oposición es unamanifestación de la Ley de Lenz en virtud de la cual cualquier voltaje magnéticoinducido se generará siempre en una dirección tal, que se opone a la acción que locausa.La inductancia se simboliza con la letra L y se mide en henrios (H). Su representacióngráfica consiste en un conductor con forma de espiras, algo que recuerda que lainductancia se debe a un conductor ligado a un campo magnético. La fuente del campomagnético es la carga en movimiento, o corriente. Si la corriente varía con el tiempo,también el campo magnético varía con el tiempo. Un campo que varía con el tiempoinduce a un voltaje en cualquier conductor presente en el campo. El parámetro decircuito de la inductancia relaciona el voltaje inducido con la corriente.La magnitud del voltaje inducido en cualquier bobina, por un flujo magnético variablees proporcional al número de vueltas de la bobina y a la velocidad de variación del flujoa través de su ventana. Esta relación se conoce como Ley de Faraday. Expresada entérminos matemáticos:dφe l= −Ndtdonde:e Voltaje inducido en la bobina (V)N Número de vueltas conectadas en serie en la bobinadφ/dt Velocidad de variaciónEl signo negativo proviene de la Ley de Lenz, e indica que el voltaje se genera en unadirección opuesta al cambio de flujo que lo causa. Debido a su acción de oposición, elvoltaje inducido magnéticamente se denomina frecuentemente fuerza contraelectromotriz.Un cambio en la magnitud o dirección de la corriente en cualquier conductor o bobinasiempre establecerá un voltaje en una dirección opuesta al cambio. Por tanto la12

valor de salida del tipo todo/nada que indica la detección de proximidad por parte delsensor.2.2.3 - Transformadores diferenciales (LVDT)El transformador lineal de voltaje diferencial (LVDT) es un dispositivocomúnmente utilizado para medir desplazamiento lineal. Todos los LVDTs consisten enuna bobina estacionaria y un núcleo que puede desplazarse libremente en su interiorcomo muestra la Figura 7. La bobina estacionaria está dividida en tres secciones: unabobina primaria central (C) y dos bobinas secundarias laterales - izquierda (I) y derecha(D) - con sus espiras arrolladas en sentidos inversos. El núcleo es de un materialaltamente magnético y de longitud inferior al conjunto de las bobinas para que puedadesplazarse linealmente en su interior.Cuando se aplica una señal alterna a la bobina central, se inducen sendas corrientes enlas bobinas laterales a través del núcleo magnético. Cuando éste se encuentra enposición central las corrientes inducidas en las bobinas secundarias son iguales pero enfases que difieren en 180º, dados los sentidos de arrollamiento inversos de susrespectivas espiras. Así pues, uniendo las dos bobinas laterales se conseguirá que ambascorrientes se cancelen y que con el núcleo en posición central no se registre señal algunaen la salida del LVDT.Figura 7 – Transformador lineal de voltaje diferencialCuando el núcleo magnético se desplaza hacia uno de los extremos de su recorrido, lacorriente inducida en la bobina secundaria correspondiente es mayor que la de la otrabobina, dado que el acoplamiento inductivo es mayor. Como consecuencia de estecomportamiento, en la salida del LVDT se obtendrá una corriente eléctrica deintensidad y sentido proporcionales al desplazamiento del núcleo magnético del sensor.2.2.4 - Transformadores variablesUn transformador se denomina variable cuando uno de sus bobinados permite elcambio del número de espiras que participan en la acción transformadora. Estamodificación se realiza normalmente desplazando un cursor similar al de lospotenciómetros bobinados.14

La variación de la relación de transformación implica que el voltaje de salida deltransformador es proporcional a la posición del cursor selector de número de espiras.Este dispositivo se suele emplear en aplicaciones de potencia, donde las corrientesinvolucradas presentan valores elevados.2.3 - Sensores electromagnéticosSe trata de dispositivos que basan su comportamiento en la relación existente entreelectricidad y magnetismo, en que los campos eléctrico y magnético se inducenmutuamente según una serie de leyes enunciadas por Faraday y Lenz, entre otros.2.3.1 - Basados en la ley de FaradayUn ejemplo ilustrativo de la ley de Faraday es el de una espira cuadrada queatraviesa una región donde existe un campo magnético uniforme, como se muestra en laFigura 8. Es este caso se pueden observar los siguientes comportamientos:‣ Cuando la espira se introduce en el campo magnético, se produce una f.e.m.(fuerza electromotriz) que se opone al incremento del flujo del campomagnético a través de dicha espira y ello tiene como consecuencia laaparición de una corriente eléctrica entre los terminales de la espira.‣ Cuando la espira está introducida en dicha región, el flujo es constante y no seproduce f.e.m. alguna‣ Cuando la espira sale de dicha región, el flujo a través de la espira disminuye yse produce una f.e.m. que se opone a la disminución de flujo con laconsiguiente corriente eléctrica de sentido inverso a del primer punto.Figura 8 – Representación de la Ley de FaradayTambién se observa la aparición de fuerzas ( F r ) tales que cuando la espira entra ocuando sale de dicha región, la fuerza que ejerce el campo magnético sobre la corrienteinducida en la espira se opone al movimiento de la espira (Ley de Lenz).Estos fenómenos han servido para desarrollar los motores y generadores eléctricosencargados de la transformación de corriente eléctrica en movimiento y viceversa.15

2.3.2 - Basados en el efecto HallEn un conductor, como el mostrado en la Figura 9, por el que circula unacorriente, en presencia de un campo magnético perpendicular al movimiento de lascargas, aparece una separación de cargas que da lugar a un campo eléctrico en el interiordel conductor perpendicular al movimiento de las cargas y al campo magnéticoaplicado.Figura 9 – Representación del efecto HallLos sensores de efecto Hall se basan en este principio para producir pequeñasvariaciones de voltaje cuando el metal en cuestión se desplaza por el interior del campomagnético. Se emplean especialmente para detectar movimiento sin contacto, porejemplo en algunos tipos de teclados de altas prestaciones.3 - SENSORES GENERADORESEsta familia de dispositivos comprende todos aquellos transductores tales que,ante una magnitud determinada, generan una corriente eléctrica de intensidad o voltajeproporcional a la citada magnitud. Ello significa que no es necesario disponer de unafuente de energía eléctrica para alimentarlos, sino que ellos mismos producen esa señalque, en el peor de los casos, deberá ser amplificada para adaptarla a los niveleseléctricos del sistema de medida.3.1 - Sensores termoeléctricos: termoparesUn termopar es un dispositivo capaz de convertir la energía calorífica en energíaeléctrica su funcionamiento se basa en los descubrimientos hechos por Seebeck en 1821cuando hizo circular corriente eléctrica en un circuito, formado por dos metalesdiferentes cuyas uniones se mantienen a diferentes temperaturas. Esta circulación decorriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier queprovoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos metales diferentes cuandouna corriente circula a través de la unión y el efecto Thompson que consiste en laliberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metalhomogéneo en el que existe un gradiente de temperaturas.Efecto Seebeck: Cuando las uniones de dos conductores se unen por sus extremos paraformar un circuito, y se colocan en un gradiente de temperatura, se manifiesta un flujode calor y un flujo de electrones conocido como corriente de Seebeck. La fuerzaelectromotriz (FEM) que genera dicha corriente se conoce como fuerza electromotriz determopar o tensión de Seebeck.16

Efecto Peltier: Descubierto por Jean C. A. Peltier en 1834, consiste en el calentamientoo enfriamiento de una unión entre dos metales distintos al pasar corriente por ella. Alinvertir el sentido de la corriente se invierte también el sentido del flujo de calor. Esteefecto es reversible e independiente del contacto. Depende sólo de la composición y dela temperatura de la unión.Efecto Thompson: Descubierto por William Thompson (Lord Kelvin) en 1847-54,consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo contemperatura no homogénea por el que circula una corriente. El calor liberado esproporcional a la corriente y por ello, cambia de signo al hacerlo el sentido de lacorriente. Se absorbe calor si la corriente y el calor fluyen en direcciones opuestas, y selibera calor si fluyen en la misma dirección.Es decir, la fuerza electromotriz es proporcional a la temperatura alcanzada por la unióntérmica. Así mismo, si se resta el calentamiento óhmico, que es proporcional alcuadrado de la corriente, queda un remanente de temperatura que en un sentido decirculación de la corriente es positivo y negativo en el sentido contrario. El efectodepende de los metales que forman la unión.La combinación de los dos efectos Peltier y Thompson, es la causa de la circulación decorriente al cerrar el circuito en el termopar. Esta corriente puede calentar el termopar yafectar la precisión en la medida de la temperatura, por lo que durante la medición debehacerse mínimo su valor.Estudios realizados sobre el comportamiento de termopares han permitido establecertres leyes fundamentales:‣ Ley del circuito homogéneo. En un conductor metálico homogéneo no puedesostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicaciónexclusiva de calor.‣ Ley de los metales intermedios. Si en un circuito de varios conductores latemperatura es uniforme desde un punto de soldadura 'A' a otro 'B', la sumaalgebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independientede los conductores metálicos intermedios y es la misma que si se pusieran encontacto directo 'A' y 'B'.‣ Ley de las temperaturas sucesivas. La f.e.m. generada por un termopar con susuniones a las temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de la f.e.m. deltermopar con sus uniones a T1 y T2 y de la f.e.m. del mismo termopar consus uniones a las temperaturas T2 y T3.Por estas leyes se hace evidente que en el circuito se desarrolla una pequeña tensióncontinua proporcional a la temperatura de la unión de medida, siempre que haya unadiferencia de temperaturas con la unión de referencia. Los valores de esta f.e.m. estántabulados en tablas de conversión con la unión de referencia a 0ºc.Hay 7 tipos de termopares conocidos como E, S, T, J, K, B y R cuya clasificacióndepende de la composición química de los mismos. Las combinacionescorrespondientes a las denominaciones citadas se encuentran en la Tabla 1.17

TIPO METAL ‘A’ METAL ‘B’S Platino 10% Rhodio PlatinoR Platino 13% Rhodio PlatinoB Platino 6% Rhodio Platino 13% RhodioT Cobre ConstantánJ Acero ConstantánK Cromel AlumelE Cromel ConstantánTabla 1 – Tipos de termoparesdonde los tipos S, R y B se dice que corresponden al grupo de los metales nobles y lostipos T, J, K y E al de los metales base.A continuación se relacionan algunas de las características propias de cada uno de losdiferentes tipos de termopares:Los termopares tipo R, S y E se emplean en atmósferas oxidantes y temperaturas detrabajo de hasta 1500 ºC. Si la atmósfera es reductora, el termopar debe protegerse conun tubo cerámico estanco.El termopar tipo T, tiene una elevada resistencia a la corrosión por humedad atmosféricao condensación y puede utilizarse en atmósferas oxidantes o reductoras. Puede medirtemperaturas entre -200 a +260 ºC.El termopar tipo J, es adecuado en atmósferas con escaso oxígeno libre. La oxidación deel hilo de hierro aumenta rápidamente por encima de 550 ºC, siendo necesario un mayordiámetro del hilo hasta una temperatura límite de 750 ºC.El termopar tipo K, se recomienda en atmósferas oxidantes y a temperaturas de trabajoentre 500 y 1500 ºC. No debe ser utilizado en atmósferas reductoras ni sulfurosas amenos que esté adecuadamente protegido con una funda cerámica.El termopar tipo E puede usarse en vacío o en atmósfera inerte o medianamenteoxidante o reductora. Este termopar posee la f.e.m más alta por variación de temperaturay puede usarse para medir temperaturas entre -200 a +900 ºC.3.2 - Sensores piezoeléctricosLa palabra ‘piezo’ procede del griego y significa apretar, estrechar u oprimir.En 1880 Jacques y Pierre Curie descubrieron que al aplicar presión a un cristal decuarzo se establecían cargas eléctricas en éste. Denominaros a este fenómeno “efectopiezoeléctrico”. Más tarde verificaron que aplicando un campo eléctrico al cristal, éstese deformaba, con lo cual denominaron este fenómeno “efecto piezoeléctrico inverso”.Los materiales que poseen la propiedad piezoeléctrica pueden utilizarse, por tanto, paraconvertir energía eléctrica en mecánica y viceversa.Tras el descubrimiento del efecto piezoeléctrico por parte de los hermanos Curie,pasaron varias décadas antes de que fuese aprovechado en los sensores ultrasónicos deradar en submarinos durante la Primera Guerra Mundial. En la actualidad se emplea el18

efecto piezoeléctrico en la fabricación de encendedores (para hacer saltar la chispa queinflamará el gas) o en sensores de básculas de precisión, mientras que el fenómenoinverso es de utilidad para la obtención de zumbadores (aplicando una tensión alterna) opara bombas de precisión (por ejemplo en los inyectores de las impresoras de chorro detinta).3.3 - Sensores piroeléctricosCuando la temperatura de un cristal varía uniformemente (se calienta o seenfría), o es sometido a una tensión unidireccional, se puede producir undesplazamiento de los iones positivos respecto de los negativos, de tal manera que elcristal se polariza eléctricamente. Este efecto se conoce como piroelectricidad en elcaso de un cambio de temperatura, o piezoelectricidad si se debe a una tensiónunidireccional.De hecho, el proceso que tiene lugar es similar en ambos casos, ya que al modificar latemperatura se expande o se retrae anisotrópicamente, y este ligero movimiento de losátomos unos respecto de los otros da lugar al desplazamiento de las cargas que enciertas direcciones pueden ocasionar polarización eléctrica.3.4 - Sensores fotovoltaicosLos SFV (Sistemas Foto Voltaicos) tienen como elemento esencial la celdasolar. La celda solar es un dispositivo de conversión directa, esto es, transforma laradiación solar directamente en electricidad (los dispositivos de transformaciónindirecta utilizan uno o más procesos de conversión intermedia para generarelectricidad).Las celdas solares funcionan gracias al efecto fotovoltaico que, como su nombre indica,consiste en la generación de un voltaje por efecto de la luz. El efecto fotovoltaico fuedescubierto en 1839 en celdas electrolíticas por Becquerel y en sólidos (Selenio) en1877 por Adams y Day. En 1883, Fritts describió la primera celda fotovoltaica deselenio. Estas celdas se emplean aún hoy en día en instrumentos de medición de luz,debido a la similitud entre la sensibilidad espectral de esta celda y la del ojo humano. En1930, Schottky desarrolló la teoría que sirvió para explicar el efecto fotovoltaico yLange sugirió las celdas solares como dispositivos adecuados para la generación deelectricidad. En 1932, Audubert y Stora descubrieron el efecto fotovoltaico en el CdS.Durante los años 30 y 40 se desarrolló una gran actividad investigadora con Germanio(Ge) y Silicio (Si). El efecto fotovoltaico en el Si fue descubierto por Ohl en 1941.Gracias al desarrollo de la tecnología de difusión, trece años después Pearson, Fuller yChapin de los Laboratorios Bell desarrollaron la primera celda práctica de Silicio, conuna eficiencia del 6%. Las celdas solares alcanzaron ya en 1958 una eficiencia de 14%bajo condiciones de irradiación terrestre. El esfuerzo realizado en la época estabaencaminado a mejorar la adaptación de estos dispositivos como generadores en satélitesespaciales. El primer satélite dotado de celdas solares fue uno soviético lanzado enmayo de 1958, seguido dos meses después por el Vanguard I norteamericano.19

Durante el período 1958-1974, el programa espacial norteamericano demandó 80 kWp/año. La eficiencia de las celdas aumentó y para 1970 el precio de las celdas habíadescendido de aproximadamente 400 US$/Wp a una cifra entre 100 y 200 US$/Wp.También aparecieron en escena nuevos materiales para celdas solares. En 1954 seobservó el efecto fotovoltaico en un contacto de Cu-CdS y en una película de CdS(Sulfuro de Cadmio) en contacto con Aluminio y Oro.El año de 1954 puede entonces ser considerado como el del nacimiento de las celdassolares tanto de silicio como de película delgada. Las celdas de silicio se desarrollaron apartir de entonces más rápidamente que las de película delgada pero éstas yapresentaban en esa época, características que las hacían interesantes.Durante el período 1961-1971 muy pocos avances se lograron, siendo los másimportantes quizás, la primera evidencia del efecto fotovoltaico de las celdas de Cu2S-CdS, el rendimiento del 13 % alcanzado en celdas de GaAs (Arseniuro de Galio), lasprimeras celdas de CdS depositadas por aerosol, el 8 % de eficiencia en celdas de CdSevaporadas. También aparecieron en 1963 las celdas de CdTe (Teluro de Cadmio) coneficiencias de 6 %. Las celdas de CdS y CdTe dominaron hasta mediados de los setentael panorama de las celdas de película delgada.En 1973 ocurrieron dos reuniones importantes y un hecho que resultaron muy valiosospara el desarrollo de la tecnología fotovoltaica. La realización de la UNESCO de laconferencia “The Sun in the Service of Mankind” (Julio) y el “Workshop onPhotovoltaic Conversion of Solar Energy for Terrestrial Applications” (Octubre). En elprimero se discutió el estado del arte de las aplicaciones de la energía solar y en elsegundo se trazaron las líneas de I&D (Investigación y Desarrollo) en USA, líneas entrelas que se contaban las celdas de Silicio, CdS, de otros materiales y sistemas. El hechofue la famosa crisis de energía de 1973 que motivó la búsqueda de nuevas fuentes deenergía y el lanzamiento de programas de I&D en las naciones industrializadas.A partir de este año se han alcanzado importantes logros. En ese mismo año, Lindmayerinventó la celda violeta de alta eficiencia (15%) y se comenzaron a vislumbrarposibilidades más reales para que las celdas solares pudieran entrar en el mercado de lasaplicaciones terrestres. Se fundaron entonces las primeras compañías fabricantes deceldas solares (en 1973 Solarex y en 1975 Solar Technology International, llamadaposteriormente Arco Solar Power y hoy en día, Siemens Solar Industries).Las celdas de película delgada atrajeron rápidamente la atención por sus posiblesventajas en los equipos espaciales (bajo peso, flexibilidad), a pesar de sus bajaseficiencias y estabilidad muy limitada. Las celdas de CdS-Cu2S alcanzaron eficienciasde laboratorio entre 8 y 10% y se intentaron producir industrialmente (SES - SolarEnergy Systems, Newark, Delaware, USA y NUKEM, Hanau, Alemania), pero losproblemas de estabilidad y las limitadas posibilidades de controlarla terminaron conesos proyectos.Si bien estas celdas no se desarrollaron posteriormente, a partir de 1975 las celdas depelícula delgada recibieron un notable impulso. En este año se obtuvo la celda cristalinan-Cds/p-CuInSe2 (CIS: CuInSe2) con una eficiencia del 12% y al año siguiente laprimera celda de película delgada de estos materiales. En 1976 también aparece el Si-a20

(Silicio amorfo) como material para celdas y se superaron varios problemas en eldesarrollo de las celdas de CdTe.En la década de 1980 aumentó en general la eficiencia de diferentes tipos de celdas. Elaumento de la eficiencia de las celdas de Si y módulos solares fueron posibles gracias aldesarrollo de novedosos conceptos y a la aplicación de modernas tecnologías. Algunosde estos conceptos son: La texturización de la superficie de la celda, el concepto “BSF”(Back Surface Field), el “BSR” (Back Surface Reflector), el “HLE” (High-Low-Emitter)y el PESC-Concept (Passivated Emitter Solar Cell) inventado por M.A. Green.En relación con la eficiencia de las celdas solares, hay que ser cuidadoso con losresultados que se anuncian pues existe una gran diferencia entre:‣ Celdas de laboratorio (se trata de mini celdas de áreas generalmente inferiores a1 cm²).‣ Módulos de I&D (los resultados de estos módulos no son reproducibles paragrandes cantidades).‣ Módulos comerciales (la potencia anunciada se ha determinado antes de laestabilización de los módulos).Recientemente, el concepto PESC ha sido mejorado y se han introducido nuevosconceptos como son PERC (Passivated Emitter Rear Contact Cell), PERL (PassivatedEmitter, Rear Locally diffused cell), LG-BC (Laser Grooved-Buried Contact). Con estastecnologías se han alcanzado eficiencias récord de celdas de Si-c (Silicio Cristalino) de24,2% y de módulos de 20,5%.4 - SENSORES DIGITALESEste tipo de sensores se caracterizan porque su señal de salida es directamenteutilizable por un dispositivo digital, sin adaptaciones ni conversiones.4.1 - Codificadores de posiciónTambién denominados encoders, son dispositivos que transforman undesplazamiento o rotación en una información digital de valor numérico proporcional alcitado desplazamiento.Dependiendo del tipo de aplicación, puede resultar necesario conocer la posición delelemento móvil (cursor o eje giratorio) o simplemente su desplazamiento respecto de laúltima posición referenciada. Ello da lugar a dos tipos de codificadores.4.1.1 – Incrementales o relativosUn detector incremental simplemente informa al sistema digital de que seproduce un desplazamiento o rotación en el elemento móvil, aportando información dela cuantía del mismo. Dependiendo de la aplicación se proporcionará información delsentido de desplazamiento o no.Un ejemplo de codificador de posición digital incremental sin información de direcciónpuede ser un sensor del giro de una rueda para un sistema ABS (Anti-lock Braking21

System) cuyo cometido consiste en impedir que el sistema de frenos actúe condemasiada fuerza sobre la rueda con el consiguiente bloqueo de la misma y pérdida dedireccionabilidad del vehículo. En este caso, solamente es necesario conocer lavelocidad de giro de la rueda y es indiferente que ésta gire hacia delante o hacia atrás,con lo cual el sensor solamente proporcionará una cantidad fija de pulsos por vueltacuya frecuencia indicará la velocidad de giro de la rueda.En caso de que resulte de interés conocer el sentido de desplazamiento del elementomóvil (por ejemplo en un sistema de posicionamiento en coordenadas relativas) elsensor puede entregar la información con dos bits: uno que indicará el sentido de giro yotro que equivaldrá al visto anteriormente donde el desplazamiento es codificadomediante pulsos.4.1.2 - AbsolutosEn caso de que resulte necesario conocer la posición absoluta del elementomóvil (por ejemplo en el posicionamiento de una articulación de un robot) lainformación ofrecida por el sensor de posicionamiento puede consistir en lacodificación en binario con un determinado número de bits del ángulo de giro delelemento móvil.Esto da lugar a un inconveniente que consiste en que las codificaciones en binarionatural de valores decimales consecutivos difieren entre sí en más de un bit. Ello podríatener como consecuencia que el sistema digital interpretase incorrectamente lainformación recibida cuando el cambio de varios bits se descompone en una secuenciade cambios de un bit atravesando por tanto valores intermedios erróneos. Por ejemplo,al pasar de 1 (01) a 2 (10) cambiando los valores de los bits uno a uno, se tiene queproducir el valor intermedio 3 (11) si el primer bit cambia antes que el segundo o 0 (00)si lo hace antes el segundo.Para evitar estas situaciones erróneas se ideó el código Gray que lleva el nombre de suinventor y que se presenta en la Tabla 2. Dicho código se consigue haciendocorresponder al 0 decimal el valor 0 binario y al 1 decimal del 1 binario. Para obtenercodificaciones de dos bits se antepone un cero a ambos (para el 0 y el 1) y se copian losvalores de 1 bit en orden inverso anteponiéndoles un 1. Repitiendo el proceso se obtieneel código Gray para cualquier número de bits. Se observa que todo valor difiere delanterior y del siguiente únicamente en un bit. Incluso el último valor de la tabla difieredel primero en un solo bit.DECIMAL GRAY DECIMAL GRAY0 0000 8 11001 0001 9 11012 0011 10 11113 0010 11 11104 0110 12 10105 0111 13 10116 0101 14 10017 0100 15 1000Tabla 2 – Código Gray de cuatro bits22

5 - OTROS MÉTODOS DE TRANSDUCCIÓN5.1 - Fotodiodos y fototransistoresLos fotodiodos son diodos de unión PN cuyas características eléctricas dependende la cantidad de luz que incide sobre la unión. En la Figura 11 se muestra su símbolocircuital.Figura 11 – Símbolo circuital del fotodiodoEl efecto fundamental bajo el cual opera un fotodiodo es la generación de pareselectrón-hueco debido a la energía luminosa. Este hecho es lo que le diferencia deldiodo rectificador de silicio en el que solamente existe generación térmica de portadoresde carga. La generación luminosa, tiene una mayor incidencia en los portadoresminoritarios, que son los responsables de que el diodo conduzca ligeramente en inversa.El comportamiento del fotodiodo en polarización inversa se ve claramente influenciadopor la incidencia de luz. Conviene recordar que el diodo real presenta unas pequeñascorrientes de fuga de valor I S . Las corrientes de fuga son debidas a los portadoresminoritarios, electrones en la zona P y huecos en la zona N. La generación deportadores debido a la luz provoca un aumento sustancial de portadores minoritarios, loque se traduce en un aumento de la corriente de fuga en polarización inversa tal y comose ve en la Figura 12.Figura 12 – Curvas características de un fotodiodoEl comportamiento del fotodiodo en polarización directa apenas se ve alterado por lageneración luminosa de portadores. Esto es debido a que los portadores provenientes deldopado (portadores mayoritarios) son mucho más numerosos que los portadores degeneración luminosa.Para caracterizar el funcionamiento del fotodiodo se definen los siguientes parámetros:‣ Se denomina corriente oscura (dark current), a la corriente en polarizacióninversa del fotodiodo cuando no existe luz incidente.23

‣ Se define la sensibilidad del fotodiodo como el incremento de intensidad alpolarizar el dispositivo inversamente por unidad de intensidad de luz,expresada en luxes o en mW/cm 2 .dlS = =dHEsta relación es constante para un amplio intervalo de iluminaciones.El modelo circuital del fotodiodo en polarización inversa está formado por un generadorde intensidad cuyo valor depende de la cantidad de luz recibida. En polarización directa,el fotodiodo se comporta como un diodo normal, es decir, si está fabricado en silicio, latensión que cae en el dispositivo será aproximadamente 0,7 V.Los fotodiodos son más rápidos que las fotorresistencias, es decir, tienen un tiempo derespuesta menor. Sin embargo sólo pueden conducir corrientes relativamente pequeñasen una polarización directa.Un fotodiodo presenta una construcción análoga a la de un diodo LED, en el sentido deque necesita una ventana transparente a la luz por la que se introduzcan los rayosluminosos para incidir en la unión PNUn fototransistor, por su parte, es un transistor bipolar sensible a la luz. La radiaciónluminosa se hace incidir sobre la unión colector-base. En esta unión se generan los pareselectrón-hueco, que provocan la corriente eléctrica. En la Figura 13 se muestra elsímbolo circuital de un fototransistor, donde puede apreciarse que la conexión de baseha sido sustituida por la influencia de un haz luminoso.KFigura 13 – Símbolo circuital de un fototransistorEl funcionamiento de un fototransistor viene caracterizado por los siguientes puntos:‣ Un fototransistor opera, generalmente sin terminal de base (I b = 0) aunque enalgunos casos hay fototransistores que tienen disponible un terminal de basepara trabajar como un transistor normal.‣ La sensibilidad de un fototransistor es superior a la de un fotodiodo, ya que lapequeña corriente fotogenerada es multiplicada por la ganancia deltransistor.Las curvas de funcionamiento de un fototransistor son las que aparecen en la Figura 14.Como se puede apreciar, son curvas análogas a las del transistor BJT, sustituyendo laintensidad de base por la potencia luminosa por unidad de área que incide en elfototransistor:24

Figura 14 – Curva característica de un fototransistor5.2 - Magnetodiodos y magnetotransistoresSon dispositivos equivalentes a los diodos y transistores cuyos respectivosefectos diodo y transistor se ven afectados por la presencia de campos magnéticos, aligual que a los fotodiodos y fototransistores les ocurre con la luz.25

6 - ACTUADORES ELÉCTRICOSUna vez clasificados y analizados los diferentes tipos de sensores procederemosa repetir el proceso con los transductores que realizan la función inversa, es decir, apartir de una magnitud eléctrica nos proporcionarán actuaciones sobre el entorno(movimiento, calor, luz, etc.)6.1 - InterruptoresUna de las necesidades de actuación de los sistemas digitales consiste en activarcircuitos eléctricos de un nivel de potencia no directamente manejable con las señalesinternas del sistema digital (motores, calefactores, etc). Para ello es necesario disponerde actuadores cuyo cometido consista en activar o desactivar dichos circuitos eléctricos.Este tipo de dispositivos recibe el nombre de interruptores y se pueden clasificar comorelés o como dispositivos de estado sólido dependiendo de le tecnología con que esténconstruidos.6.1.1 - RelésLa primera técnica empleada para conseguir que una señal eléctrica de pocapotencia active o desactive un circuito de elevada potencia es el relé. Este dispositivo sebasa en el aprovechamiento del electromagnetismo para actuar sobre un interruptormecánico. Su estructura básica puede observarse en la Figura 15. Los relés pueden serde simple, doble o múltiple circuito y poseen contactos tanto normalmente abiertoscomo normalmente cerrados.Figura 15 – Estructura de un reléLos relés presentan dos inconvenientes importantes:‣ Lentitud de respuesta. Dado que el contactor debe desplazarse mecánicamentepara cerrar o abrir los circuitos en cada conmutación, su masa le confiere unainercia que hace que el movimiento requiera un tiempo determinado. Portanto, el relé no puede emplearse en aplicaciones que requieran una elevadafrecuencia de conmutación.26

‣ Rebotes. Cuando se cierra el contactor y sus terminales entran en contacto, lohacen a una elevada velocidad por lo que se produce una colisión con rebotesque tienen como consecuencia la apertura y cierre del circuito de formarepetida. Este puede ocasionar chispas mientras los terminales se encuentranmuy cerca unos otros. Además, la activación del relé se traduce en una seriede aperturas y cierres del circuito. Por lo tanto, si el relé se emplea paraimplementar un contador, será necesario un filtro antirrebotes para que cadaactivación del mismo sea contabilizada una única vez.6.1.2 - Dispositivos de estado sólidoUn dispositivo interruptor de estado sólido consiste en un circuito semiconductorbasado en silicio. De hecho un transistor corresponde a este grupo y puede emplearsecomo interruptor utilizándolo en sus regiones de corte y saturación. No obstante,existen dispositivos específicamente diseñados para realizar este tipo de función,incluso con señales de potencia muy elevada. A continuación se describe la estructura yfuncionamiento de algunos de ellos.El SCR (Silicon Controlled Rectifier) es un dispositivo de la familia de lossemiconductores, al igual que transistores y diodos. Aunque no es lo mismo que untransistor o un diodo, el SCR posee características de ambos. El principal cometido delSCR consiste en la conmutación de pequeñas o grandes corrientes, función quedesempeña sin necesidad de piezas móviles, permitiendo conmutar grandes potenciascon señales muy pequeñas y de esta forma reemplazar interruptores mecánicos muchomás lentos y de tamaño mucho mayor.El SCR es un conmutador rapidísimo. Resulta muy difícil conseguir que un dispositivomecánico (del tipo relé) realice algunos cientos de conmutaciones por minuto. AlgunosSCR pueden conseguir más de 25.000 conmutaciones por segundo. Al igual que seaplica en los conversores D/A, la técnica de modulación de anchura de pulso(modificando el tiempo que el interruptor está cerrado y abierto) permite regular lacantidad de energía transferida a la carga en cada instante.La constitución de un SCR es similar a la de un diodo, pero su funcionamiento es unamezcla de diodo y transistor, explicándose más fácilmente si se compara con laasociación de dos de estos últimos. En la Figura 16 se muestran el símbolo del SCR, suconstitución y su descomposición en un circuito equivalente formado por dostransistores.Figura 16 – Estructura de un SCR27

En operación, el colector de Q 2 ataca a la base de Q 1 mientras que el colector de Q 1realimenta a la base de Q 2 . Siendo β 1 la ganancia en corriente de Q 1 y β 2 la ganancia encorriente de Q 2 , la ganancia del ciclo será el producto de ambas, β 1 · β 2 . Cuando esteproducto es menor que la unidad el circuito es estable mientras que cuando el productosupera la unidad la realimentación lleva a la saturación de ambos transistores. Unapequeña corriente negativa aplicada al terminal G llevará al transistor Q 2 a la zona decorte. En estas condiciones ambos transistores estarán en la zona de corte y solamentecirculará a su través una pequeña corriente de fuga, presentando el conjunto un valorelevado de impedancia.Cuando se aplica una corriente positiva al terminal G, esto hace que Q 2 empiece aconducir, provocando la conducción de Q 1 y una realimentación que lleva rápidamentea que se supere el factor de ganancia unidad y ambos transistores alcancen la saturación,disminuyendo drásticamente la impedancia del conjunto y permitiendo el paso de unacantidad de corriente únicamente limitada por los dispositivos externos. La Figura 17muestra el comportamiento del SCR en función del voltaje entre sus terminales A y C yde la corriente en el terminal G.Figura 17 – Curva característica de un SCRDado que el SCR posee un terminal positivo y otro negativo, solamente permite el pasode corriente en uno de los dos sentidos. Esto es particularmente inadecuado cuando sedesea conmutar una corriente alterna (que, por otro lado, es la más frecuente en laindustria, donde las potencias a conmutar son elevadas). Para solventar esteinconveniente, se puede confeccionar un triac combinando dos SCR con polaridadesinvertidas y terminal G compartido, tal como se muestra en la Figura 18.28

Figura 18 – Estructura de un triac a partir de dos SCRDe esta forma, el triac permite aprovechar el ciclo completo de la corriente alterna,frente al máximo del 50% del ciclo del SCR, como puede apreciarse en la Figura 20,que corresponde a los ciclos de trabajo de un SCR y de un triac cuando participan en uncircuito como el mostrado en la Figura 19.Figura 19 – Circuito empleado para analizar el ciclo de trabajo de un SCR y de un triacFigura 20 – Ciclos de trabajo de un SCR y de un triacOtro dispositivo que se puede incluir en este apartado es el optoacoplador, resultado deunir en un mismo encapsulado un LED (Light Emitting Diode – Diodo emisor de luz)con un fototransistor, de forma que la luz emitida por el LED actúe directamente sobreel terminal fotosensible del fototransistor, permitiendo de esta forma que una señal deentrada aplicada al LED provoque la conmutación del circuito de salida, conectado alfototransistor, de forma que no hay ningún tipo de contacto eléctrico entre amboscircuitos, como puede apreciarse en la Figura 21.29

Figura 21 - Optoacoplador6.2 - SolenoidesLas válvulas solenoides son dispositivos empleados para la regulación de caudalde fluidos, habitualmente en la industria. Una válvula de este tipo consta de una bobinaarrollada alrededor de un núcleo metálico solidario con un elemento móvil cuyodesplazamiento obstruye en mayor o menor medida el paso de fluido a través del cuerpode la válvula. Existen multitud de tipos de válvulas solenoides normalmente clasificadaspor su posición de reposo (normalmente abiertas o normalmente cerradas) por eldiámetro de su cuerpo (habitualmente especificado en pulgadas) y el número deorificios de entrada y salida de las mismas (conocidos como vías).Para que una válvula solenoide mantenga un determinado caudal es necesario que através de su bobina circule una cantidad determinada de corriente eléctrica, por lo que elconsumo de energía es no nulo salvo en la posición de reposo de la válvula, que puedeser (como ya se ha mencionado) abierta o cerrada.6.3 - MotoresUsando el descubrimiento de Oersted de que una corriente eléctrica produce uncampo magnético en el espacio alrededor del cable que la conduce Ampère logrómagnetizar agujas de hierro.En 1825 el inglés William Sturgeon (1783-1850) enrolló 18 espiras de alambreconductor alrededor de una barra de hierro dulce, que dobló para que tuviera la forma deuna herradura. Al conectar los extremos del cable a una batería el hierro se magnetizó ypudo levantar un peso que era 20 veces mayor que el de la propia barra de hierro. Estefue el primer electroimán, es decir, un imán accionado por electricidad.Años después, en 1829, el estadounidense Joseph Henry (1797-1878) construyó unaversión mejorada del electroimán. Para ello enrolló en una barra de hierro dulce espirasen forma mucho más apretada y en un número mayor; de esta manera logró una mayorintensidad magnética. El electroimán se comporta de forma equivalente a un imánpermanente, con la ventaja de que su intensidad se puede controlar, ya sea cambiando lacorriente que se le hace circular o variando el número de espiras de la bobina. Además,al cesar la corriente, cuando se desconecta la batería, desaparece el efecto magnético.Como consecuencia del descubrimiento de Oersted, introduciendo en el seno de uncampo magnético un conductor atravesado por una corriente eléctrica ambos camposmagnéticos (el del entorno y el generado por la corriente eléctrica) interactuarángenerando una fuerza cuya orientación y sentido quedan recogidos en la Ley de Lorenz.Como consecuencia del enunciado de esta ley a dichas fuerzas se les denomina fuerzas30

de Lorenz y son las que, adecuadamente aprovechadas, darán lugar a los motoreseléctricos.6.3.1 - Motores de corriente continuaTodos estos trabajos sentaron las bases para la invención del primer motoreléctrico. Su funcionamiento es el siguiente: Supóngase que se confecciona una bobinacon unas pocas espiras de cable conductor y se monta sobre un eje alrededor del cualpuede girar. Si se introduce la bobina entre los polos de un imán permanente, como semuestra en la Figura 22, y se hace pasar una corriente eléctrica a su través, ésta seconvierte en un imán que puede girar dentro del imán permanente. Los polos de ambosimanes ejercen fuerzas entre sí; por consiguiente, la bobina experimenta fuerzas (fuerzasde Lorentz) que la hacen girar alrededor del eje de giro. El sistema expuesto permite quela espira se oriente en la dirección del campo magnético generado por el imánpermanente, pero una vez alcanzada la posición de equilibrio, permanecerá inmóvil enella, a menos que se invierta el sentido del flujo de corriente a través de la bobina. Estose consigue mediante las denominadas delgas que consisten en unos casquillossemicilíndricos conductores unidos entre sí por material aislante formando un cilindro.Conectando cada terminal de la bobina a una delga diferente, el giro de la espira haráque la corriente cambie de sentido con cada medio giro, manteniendo la bobina siempredesalineada de su posición de equilibrio y, por tanto, el motor en permanente rotaciónmientras se le aplique corriente eléctrica.Figura 22 – Motor eléctrico de corriente continuaDe esta manera es posible transformar la energía eléctrica que la batería entrega al hacercircular la corriente por la bobina, en energía mecánica para mover algún objeto. Aldispositivo que funciona de esta forma se le llama motor eléctrico.Entre las características de este tipo de motores pueden destacarse las siguientes:‣ Simplicidad: Es uno de los motores eléctricos más sencillos.‣ Chispas: El hecho de que en cada vuelta se realicen dos conmutaciones de lapolaridad de la alimentación eléctrica mediante escobillas y delgas tiene31

como consecuencia la generación de chispas en dicha operación. Esto haceque no sea adecuado para su uso en atmósferas inflamables y que lacarbonilla ocasionada por las chispas se deposite entre las delgas y lasescobillas reduciendo la conductividad eléctrica de esta unión y la eficienciadel motor.‣ Giro indefinido: Mientras se aplica corriente eléctrica a su bobina, el motor decontinua gira de forma indefinida, deteniéndose de forma inerte cuando éstacesa. Esto tiene como consecuencia que no se genere ningún par cuando eleje del motor se detiene y por tanto que no sea adecuado para lasaplicaciones que requieren que se conserve una determinada posición del ejeaplicando un freno.‣ Velocidad dependiente de la carga y de la corriente: La velocidad de giro deeste tipo de motores depende de la corriente aplicada en su bobina, ya queuna mayor corriente producirá fuerza de Lorenz mayores y un par de giromayor que moverá el rotor con mayor velocidad. Por otro lado, elincremento de carga del motor puede verse como un incremento del peso delrotor, lo cual tiene como consecuencia que el par de fuerzas de Lorenzmuevan éste con mayor dificultad y con menor velocidad.‣ Potencia limitada: El imán permanente encargado de generar el campomagnético tiene una capacidad limitada, de forma que para obtener potenciasconsiderables será necesario sustituirlo por un electroimán. Por otro lado elmagnetismo se agota con el tiempo, por lo que un motor eléctrico de estascaracterísticas tendrá una vida limitada.Algunos de los defectos derivados de estas características pueden paliarse empleandomotores de corriente alterna (velocidad de giro dependiente de la carga, escobillas,chispas) mientras que otras las eliminan los motores paso a paso (giro indefinido,ausencia de par con el motor inmóvil).6.3.2 - Motores de corriente alternaHay dos tipos de motores eléctricos de corriente alterna: el motor síncrono y elmotor a inducción. Cada uno de estos tipos puede usar corriente monofásica o trifásica.En aplicaciones industriales, los motores trifásicos son los más comunes, debido a sueficacia mayor que los motores monofásicos. El motor síncrono es mucho menosgeneralizado que el motor a inducción, pero se usa en unas aplicaciones especiales, querequieren una velocidad absolutamente constante o una corrección del factor depotencia. Los motores a inducción y los motores síncronos son similares en muchosaspectos pero tienen algunos detalles diferentes.El estátor de un motor CA como el mostrado en la Figura 23 contiene un número debobinas de alambre enrollado alrededor y a través de las ranuras del mismo. Siemprehay más ranuras que bobinas y por eso las bobinas son trenzadas de manera bastantecompleja. Cuando se aplica corriente a las bobinas, se genera un campo magnéticorotativo dentro del estátor. La velocidad de rotación depende del número de bobinas, odel número de polos. En un motor trifásico, tres bobinas formarán 2 polos magnéticosdebido a la acción de las corrientes que tienen una diferencia de fase de 120 gradosentre ellas. Con una frecuencia de línea de 60 Hz, y dos polos en el estátor el ritmo derotación del campo será de 60 ciclos por segundo o 3600 r.p.m. Si hay 4 polos (6bobinas) el campo girará a 1800 r.p.m. y así sucesivamente.32

Figura 23 – Motor de corriente alternaMotores síncronosSi un rotor girando que está magnetizado de manera permanente en la direccióntransversal está puesto dentro del estátor, será arrastrado por atracción magnética a lavelocidad a la que está girando el campo. Esta se llama la velocidad síncrona y elensamblado es un motor síncrono como el mostrado en la Figura 24. Su velocidad estáexactamente sincronizada con la frecuencia de línea. Pequeños motores síncronos seencuentran en relojes eléctricos para asegurar una medición de tiempo precisa, perotambién en la industria se usan los motores síncronos. En grandes motores síncronosindustriales el rotor es un electroimán y está excitado por corriente continua.Figura 24 – Motor de corriente alterna síncronoUna característica del motor síncrono es que si el rotor es "sobreexcitado", esto es, si elcampo magnético es superior a un cierto valor, el motor se comporta como uncondensador a través de la línea de corriente. Esto puede ser útil para la corrección delfactor de fuerza en plantas industriales que usan muchos motores de inducción.Motores a inducción33

La diferencia entre el motor a inducción y el motor síncrono es que en el motor ainducción el rotor no es un imán permanente sino que es un electroimán. Tiene barras deconducción en todo su largo, incrustadas en ranuras a distancias uniformes alrededor dela periferia como se muestra en la Figura 25. Las barras están conectadas con anillos(en cortocircuito como dicen los electricistas) a cada extremidad del rotor. Estánsoldadas a las extremidades de las barras. Este ensamblado se parece a las pequeñasjaulas rotativas para ejercitar a mascotas como hámsters y por eso a veces se llama"jaula de ardillas", y los motores de inducción se llaman motores de jaula de ardilla.Figura 25 – Motor de corriente alterna de inducciónCada par de barras es, hablando magnéticamente, una revolución en cortocircuito. Elrotor se magnetiza por las corrientes inducidas en sus barras, debido a la acción delcampo magnético girando en el estátor. Mientras que el campo del estátor pasa a lolargo de las barras del rotor, el campo magnético que cambia induce altas corrientes enellas y genera su propio campo magnético. La polaridad del campo magnético inducidodel rotor es tal que repele al campo del estátor que lo creó, y esta repulsión resulta en unpar de fuerza sobre el rotor que le obliga a girar.Ya que el motor de inducción funciona por repulsión magnética, en lugar de poratracción como el motor síncrono, ha sido llamado "un motor a inducción repulsiva".Si no hubiera fricción en el sistema, el rotor giraría a una velocidad síncrona, pero noproduciría un par de fuerza útil. Bajo esta condición no habría movimiento relativo entrelas barras del rotor y el campo rotativo del estátor, y no habría inducción de corriente enellas. En el momento en que se aplica una carga al motor la velocidad se reduce, lo queprovoca que las barras del rotor corten la líneas magnéticas de fuerza del campo delestátor y creen la fuerza de repulsión en el rotor. El campo magnético inducido en elrotor se mueve en la dirección opuesta a la rotación y la velocidad de este movimientodepende de la carga aplicada . Esto quiere decir que las r.p.m. siempre serán inferiores ala velocidad síncrona. La diferencia entre la velocidad actual y la velocidad síncrona sellama el deslizamiento. Cuanto más grande es el deslizamiento, más grande es lacorriente inducida en las barras del rotor, y más grande el par de fuerza. La corriente enlos bobinados del estátor también se incrementa para crear las corrientes más grandes enlas barras.34

Por estas razones la velocidad de un motor de inducción siempre dependerá de la carga.6.3.3 – Motores paso a pasoLos motores paso a paso son dispositivos electromagnéticos, rotativos,incrementales que convierten pulsos digitales en rotación mecánica.La cantidad de rotación es directamente proporcional al número de pulsos y la velocidadde rotación es relativa a la frecuencia de dichos pulsos. Los motores paso a paso sonsimples de operar en una configuración de lazo cerrado y debido a su tamañoproporcionan un excelente par de fuerza a baja velocidad .Los beneficios ofrecidos por estos motores incluyen :‣ Un diseño efectivo y un bajo costo .‣ Alta fiabilidad‣ Libres de mantenimiento ( no disponen de escobillas )‣ Lazo abierto ( no requieren dispositivos de realimentación )‣ Límite conocido al “error de posición dinámica “A pesar de que varios tipos de motores por pasos han sido desarrollados, todos losmismos caen dentro de tres categorías básicas:‣ De reluctancia variable (VR)‣ De magneto permanente (armazón metálica )‣ HíbridosEl motor de reluctancia variable o VR consiste en un rotor y un estator cada uno conun número diferente de dientes. Ya que el rotor no dispone de un magneto permanenteel mismo gira libremente, o sea que no tiene torque de detención. A pesar de que larelación del torque a la inercia es buena, el torque dado para un tamaño de armazóndado es restringido, por lo tanto tamaños pequeños de armazones son generalmenteusados y los mismos raramente varían para aplicaciones industriales.El motor de magneto permanente, PM o tipo enlatado es quizá el motor paso a pasomás ampliamente usado en aplicaciones no industriales. En su forma más simple, elmotor consiste en un rotor magneto permanente radial y en un estátor similar al motorVR Debido a las técnicas de manufactura usadas en la construcción del estátor, losmismos se conocen a veces como motores de “polo de uñas “ o claw pole en inglés.El tipo híbrido es probablemente el más usado de todos los motores paso a paso.Originalmente desarrollado como un motor PM sincrónico de baja velocidad, suconstrucción es una combinación de los diseños VR y PM. El motor híbrido consiste enun estátor dentado y un rotor de tres partes (apilado simple). El rotor de apilado simplecontiene dos piezas de polos separados por un magneto permanente magnetizado conlos dientes opuestos desplazados en una mitad de un salto de diente para permitir unaalta resolución de pasos .6.3.3.1 – Operación. Secuencia de conmutación de fases35

La forma de conseguir el giro de un motor paso a paso consiste en la activaciónsecuencial de sus bobinados para generar campos magnéticos en su interior queproduzcan el giro deseado del rotor. En la Figura 26 se muestra la secuencia deactivaciones de las bobinas de un motor paso a paso de dos fases para conseguir un girodel motor en incrementos de paso completo. Puede apreciarse que una vuelta completaconsta del doble de pasos que fases posee el motor.Figura 26 – Giro de motor paso a paso en pasos completosA su vez, la Figura 27 refleja la secuencia de activaciones necesaria para hacer que elmismo motor realice un giro en incrementos de medio paso.Figura 27 – Giro de motor paso a paso en medios pasosLa primera técnica se emplea cuando se desea que el motor gire con mayor velocidad yla segunda cuando el objetivo principal es la precisión. En cualquier caso, si se mantieneactivada la combinación de fases que llevó al rotor a la última posición, éste laconservará con un par de frenado originado por la atracción magnética entre el rotor ylos bobinados activos.36