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UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
“CIRCUITO ELECTRÓNICO DE POTENCIA PARA UN
SISTEMA ELECTRONEUMÁTICO DENTRO DE UN
ENTORNO VIRTUAL DE APRENDIZAJE”
TRABAJO PRÁCTICO TÉCNICO
Que para obtener el título de:
INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA
Director:
JESÚS GARCÍA GUZMÁN
PRESENTA:
NOEMÍ AUDELO ÁVILA
XALAPA, VER.
MARZO 2013
AGRADECIMIENTOS
Gracias a mi tutor y director de tesis Dr. Jesús García Guzmán por sus palabras
correctas cuando lo necesite a lo largo de la carrera y hacerme ver las cosas de
una manera diferente.
Agradezco al Ingeniero Simón Leal Ortiz por su ayuda, tiempo y paciencia,
a mi amiga y compañera Ing. Farah Helúe Villa López por su ayuda, compañía y
compartir momentos de felicidad, tristezas y nervios.
Quiero agradecer a todos mis compañeros y amigos, no mencionare a
todos, pero si los más cercanos Farah, Lucerito, Rosa, Javier, Pedro y Pablo por
su amistad y compañía a lo largo de la carrera.
Agradezco a Jehová Dios y toda mi familia principalmente a mis padres
Gilberto Noe Audelo Díaz y Ma. Luisa Ávila Cordova por brindarme todo el apoyo
que necesite, es a ellos a quien dedico este trabajo y a mis hermanos Mayra,
César y Noe ┼; y a mi prima hermana Nefretery Audelo Domínguez.
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
CONTENIDO
LISTA DE FIGURAS
IV
LISTA DE ABREVIATURAS
VI
INTRODUCCIÓN
1
CAPÍTULO 1. JUSTIFICACIÓN
5
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
5
1.2 PROPUESTAS Y OBJETIVOS
7
CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS
9
2.1 SENSORES
9
2.2 ELECTROVÁLVULAS
10
2.3 TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS
11
2.3.1 Señales adquiridas y generadas
12
CAPÍTULO 3. DESARROLLO DE LOS CIRCUITOS DE POTENCIA
PROPUESTOS.
14
3.1 CIRCUITOS PROPUESTOS
14
3.2 CIRCUITO DE POTENCIA PARA LAS SALIDAS DIGITALES
17
3.2.1 Elementos empleados
17
3.2.2 Diagrama esquemático del circuito
22
3.2.3 Funcionamiento del circuito
23
3.3. CIRCUITO DE POTENCIA PARA LAS ENTRADAS DIGITALES
25
ii
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
3.3.1 Elementos empleados
25
3.3.2 Diagrama esquemático del circuito
26
3.3.3 Funcionamiento del circuito
27
CAPÍTULO 4. VALIDACIÓN DE LOS CIRCUITOS DE POTENCIA
PROPUESTOS.
29
4.1 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO PARA EL CIRCUITO DE POTENCIA
PARA LAS SALIDAS DIGITALES.
29
4.1.1 Prueba con entrada de 0 VDC para las salidas digitales
30
4.1.2 Prueba con entrada de 1.3 VDC para las salidas digitales
31
4.2 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO PARA EL CIRCUITO DE POTENCIA
PARA LAS ENTRADAS DIGITALES.
32
4.2.1 Prueba con entrada de 0 VDC para las entradas digitales
32
4.2.2 Prueba con entrada de 24 VDC para las entradas digitales
33
CONCLUSIONES
34
REFERENCIAS
36
BIBLIOGRAFÍA
36
iii
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
LISTA DE FIGURAS
NÚMERO Y TÍTULO DE LA FIGURA
PÁGINA
1. Esquema laboratorio remoto.
6
2. Tarjeta de adquisición de datos multifuncional NI USB-6211.
12
3. Esquema de la implementación del circuito de potencia para las
15
entradas digitales de la tarjeta de adquisición de datos.
4. Esquema de la implementación del circuito de potencia para las
16
salidas digitales de la tarjeta de adquisición de datos.
5. Optoacoplador 4N26 a) Esquema b) Fotografía
19
6. Transistor TIP 41C a) Esquema b) Fotografía
20
7. Fotografía relevador RAS-0510
21
8. Diagrama esquemático del circuito de potencia para las salidas
22
digitales.
9. Fotografía del circuito armado para las salidas digitales.
24
10. Diagrama esquemático del circuito de potencia para las entradas
27
digitales.
iv
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
11. Fotografía del circuito de potencia conectado para las entradas
28
digitales.
12. Fotografía de la prueba del circuito de potencia para las salidas
30
digitales con 0 VDC.
13. Fotografía de la prueba del circuito de potencia para las salidas
31
digitales con 24 VDC.
14. Fotografía de la prueba del circuito de potencia para las entradas
32
digitales con 0 VDC.
15. Fotografía de la prueba del circuito de potencia para las entradas
33
digitales con 24 VDC.
v
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
LISTA DE ABREVIATURAS
CC
Corriente continua
CA
Corriente alterna
I
Corriente
IRED
Diodo que emite rayo infrarrojo
LED
Diodo emisor de luz
Mm
Milímetros
NC
Normalmente cerrado
R
Resistencia
V
Voltios
VDC
Voltaje de corriente directa
Vce
Voltaje colector-emisor
CB
Colector–Base
BE
Base-Emisor
vi
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
INTRODUCCIÓN
Los laboratorios remotos están siendo últimamente utilizados con el objetivo de
proveer experimentación práctica a un número mayor de estudiantes, permitiendo
que dichos estudiantes tengan acceso a los diversos equipos de laboratorio aun
cuando estos equipos no se encuentren físicamente disponibles en el sitio donde
los alumnos realizan sus prácticas.
Actualmente, en la Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica, campus
Xalapa de la Universidad Veracruzana se llevan a cabo diferentes prácticas en los
diversos laboratorios con los que cuenta dicha facultad. Los estudiantes asisten
físicamente a los laboratorios para realizar prácticas en las áreas de
automatización industrial, máquinas eléctricas, electrónica y termofluidos.
La implementación de laboratorios remotos en dicha universidad permite
compartir los equipos disponibles en los laboratorios entre los diversos campus
con los que cuenta la Universidad Veracruzana. De esta manera, los alumnos
pueden tener acceso a los recursos disponibles en un laboratorio de un campus
diferente al que se encuentran físicamente.
1
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
La implementación de los laboratorios remotos es posible gracias al uso de
las nuevas tecnologías tales como la instrumentación virtual y el Internet. Dichas
herramientas permiten que, mientras un alumno se encuentra realizando una
práctica, otros alumnos puedan observar dicha práctica a través de cualquier otra
computadora y desde cualquier lugar con acceso a internet.
Una de las partes fundamentales en la operación remota de un experimento
es la adquisición y generación de señales, para lo cual se emplea una tarjeta de
adquisición de datos. En general, dichas tarjetas se encargan de adquirir las
señales enviadas por los equipos de laboratorio e interpretarlas como señales
eléctricas para después ser procesadas por un sistema digital, es decir, una
computadora y, posteriormente, generar otras señales que serán enviadas a otros
aparatos o dispositivos del laboratorio para realizar determinada acción.
Sin embargo, es común que las tarjetas de adquisición no sean capaces de
soportar los valores de corriente enviados por los equipos de laboratorio ni de
generar los valores de corriente requeridos para accionar dichos equipos. Por este
motivo, las señales pueden requerir de un acondicionamiento tanto antes de
ingresar a la tarjeta de adquisición de datos como después de ser generadas por
la misma tarjeta.
El presente trabajo consiste en el desarrollo de circuitos de potencia que
permitan vincular, de forma adecuada y segura, la sección de control digital y la
sección de potencia para hacer posible la operación remota del experimento
propuesto en [1], el cual consiste en el control de un sistema electroneumático.
2
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
Los circuitos a desarrollar se consideran de potencia puesto que, aunque no
manejan altos valores de voltaje, sí realizan un cambio entre dos niveles: los
valores de voltaje soportados por la tarjeta de adquisición (de 0 V a 5 V de
corriente directa) y los valores de voltaje necesarios para activar los elementos
electroneumáticos (de 18 V a 24 V de corriente directa). Es decir, en este caso el
término potencia no se refiere a la magnitud de la señal eléctrica, sino a la
diferencia de niveles entre las señales de la tarjeta de adquisición con respecto a
las señales requeridas por los equipos que deben accionarse.
Para su presentación, el presente trabajo se encuentra divido en cuatro
capítulos. En el primer capítulo contiene el planteamiento del problema y se
expone el motivo por el cual se realiza este proyecto; asimismo se menciona la
solución propuesta y los objetivos al realizar este trabajo.
En el capítulo dos se presentan los fundamentos teóricos de los elementos
comprendidos en el proceso de adquisición y generación de señales, es decir, se
describe la tarjeta de adquisición de datos, los sensores que envían las señales
hacia dicha tarjeta y los elementos de control electroneumático que deben ser
activados mediante las señales generadas por la misma tarjeta. Además se
describe la naturaleza de las señales involucradas en este proceso.
El tercer capítulo comprende el desarrollo de cada uno de los circuitos
propuestos para la solución del problema planteado, se describen los elementos
empleados en cada circuito de potencia y se presentan sus diagramas
esquemáticos, así como la descripción de su funcionamiento.
3
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
El capítulo cuatro consiste en la validación de los circuitos de potencia
desarrollados y el análisis de los resultados obtenidos. Para ello, se presentan las
pruebas realizadas con cada uno de los circuitos.
Finalmente, se presentan las conclusiones generales después de la
realización del trabajo aquí descrito.
4
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
CAPÍTULO
1
JUSTIFICACIÓN
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
La figura 1 muestra el esquema general del laboratorio remoto de automatización
desarrollado en [1]. En dicho laboratorio, los equipos electroneumáticos
empleados para llevar a cabo el experimento propuesto ya se encuentran
conectados y pueden ser controlados a través de internet y con ayuda de una
computadora.
El experimento propuesto en el trabajo antes citado consiste en el control
de un sistema electroneumático que representa un proceso industrial. Para llevar a
cabo dicho experimento se requiere del equipo de laboratorio necesario para
conectar el circuito electroneumático. Los elementos empleados para ello son
todos de la marca FESTO, diseñados con fines educativos. Sensores eléctricos
5
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
inductivos y capacitivos, electroválvulas (válvulas de accionamiento eléctrico) y
cilindros neumáticos son los elementos utilizados.
Además del equipo de laboratorio previamente mencionado para conectar
el sistema electroneumático, también se requiere de otros elementos que permiten
controlar y visualizar el experimento remotamente. Dichos elementos son una
computadora, con el software apropiado instalado, que funciona como el servidor
así como una tarjeta de adquisición de datos y una cámara web que se conectan a
un puerto USB de dicha computadora.
Figura 1. Esquema laboratorio remoto.
Asimismo, se requiere de circuitos de potencia puesto que la tarjeta de
adquisición de datos empleada no soporta los valores de corriente enviados por
los sensores y tampoco genera los valores de corriente necesarios para activar las
electroválvulas. Dentro de toda la estructura del laboratorio remoto, el presente
6
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
trabajo se enfoca en esta parte en particular, es decir, en el desarrollo de los
circuitos de potencia para poder adquirir las señales enviadas por los sensores
empleados y generar las señales necesarias para la activación de las
electroválvulas.
1.2. PROPUESTAS Y OBJETIVOS
El presente trabajo tiene como objetivo principal el diseño, desarrollo y validación
de dos circuitos de potencia que permitan convertir señales eléctricas entre el nivel
digital y accionadores de potencia, con el propósito de ser usados en el proceso
de adquisición de datos que forma una parte fundamental para la implementación
de un laboratorio remoto.
El propósito es desarrollar un circuito de potencia que convierta las señales
eléctricas de las salidas digitales de una tarjeta de adquisición de datos en señales
eléctricas de 24 VDC para activar las electroválvulas empleadas en un
experimento previamente propuesto [1] para ser implementado en un laboratorio
remoto. Asimismo, se propone desarrollar un segundo circuito que reciba las
señales eléctricas enviadas por los sensores empleados en dicho experimento, las
cuales son señales de 24 VDC, y que sean convertidas en señales eléctricas con
valores de corriente que la tarjeta de adquisición empleada pueda soportar para
ser enviadas a las entradas digitales de dicha tarjeta.
7
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
Los circuitos de potencia desarrollados tienen como objetivo no solo
manejar los valores de corriente requeridos tanto por la tarjeta de adquisición de
datos como por los equipos electroneumáticos, sino también proteger la tarjeta
empleada de alguna sobrecarga.
Finalmente, una vez que los circuitos sean diseñados y armados, se
realizarán pruebas que permitan validar su funcionalidad para que posteriormente
puedan ser empleados en la implementación del laboratorio remoto.
8
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
CAPÍTULO
2
FUNDAMENTOS
A continuación en los siguientes subtemas se explicaran los fundamentos teóricos
necesarios para comprender cuales son los elementos que intervienen en el
proceso de adquisición de datos para los circuitos propuestos en el capítulo uno.
2.1 SENSORES.
Existen diferentes tipos de sensores, los sensores de proximidad comúnmente
utilizados son los sensores inductivos, capacitivos y ópticos. Los sensores
inductivos se utilizan para detectar objetos metálicos conductores y a distancias
cortas. Tienen una bobina que al ser aproximado un objeto metálico cambia su
frecuencia de oscilación. El cambio de frecuencia hace que se conecte o
desconecte como haya estado en un principio digital o analógicamente. Cuando el
9
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
objeto metálico se retira de la bobina regresa a su frecuencia recuperando su
estado original.
Los sensores capacitivos detentan materiales metálicos y no metálicos
(madera, plástico, vidrio). Poseen una resistencia y un capacitor que forman un
oscilador de alta frecuencia entre el ánodo y cátodo del capacitor se forma un
campo electrostático, el cual representa el área activa del sensor de proximidad.
Cuando un objeto sea aproximado al campo electrostático, este campo debido al
cambio en la capacitancia del capacitor generará una señal de salida.
El sensor óptico es capaz de detectar todo tipo de material y a grandes
distancias. Utiliza rayos infrarrojos y fototransistores como receptores. Son muy
sensibles y duran poco tiempo.
2.2 ELECTROVÁLVULAS
Otro de los elementos empleados en el experimento descrito en [1] y que juegan
un papel muy importante al diseñar los circuitos de potencia, son las
electroválvulas.
En electroneumática, las válvulas distribuidoras de mando son los
elementos de control que enlazan a la parte eléctrica y la parte neumática de un
sistema electroneumático. Estas válvulas son accionadas eléctricamente al recibir
una señal de algún elemento de entrada o procesamiento. Cuando la válvula es
10
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
accionada permite el paso del aire comprimido para dar lugar a las señales
neumáticas y accionar los cilindros neumáticos.
Estas electroválvulas son activadas mediante el uso de bobinas y pueden
clasificarse en electroválvulas monoestables y biestables. Las monoestables son
aquellas que cuentan con una sola bobina para ser activadas y con un muelle de
reposición para regresar a la posición original. Las electroválvulas biestables
tienen dos bobinas y no tienen una posición inicial definida; mantienen la posición
que haya sido activada sin necesidad de que la señal siga presente, para cambiar
dicha posición es necesario activar la otra bobina. Estas válvulas también se
conocen como electroválvulas de memoria.
2.3 TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS.
En la implementación de laboratorios remotos, la adquisición y generación de
señales es una parte fundamental para llevar a cabo los experimentos de forma
remota. Las tarjetas de adquisición de datos son los elementos empleados para
adquirir y generar determinadas señales eléctricas.
Para el control de un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual
de aprendizaje, se propone usar la tarjeta de adquisición de datos NI-USB 6211.
Esta tarjeta tiene 16 entradas analógicas, 2 salidas analógicas, 4 salidas y 4
entradas digitales, además de contadores y una fuente de 5 V. La tarjeta se
conecta a la computadora a través del puerto USB. En esta tarjeta, el rango de
11
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
voltaje para una señal digital de 0 lógico se encuentra entre los 0 VDC y 0.8 VDC,
mientras que un 1 lógico se obtiene con un voltaje entre 2 VDC y 5.5 VDC.
La tarjeta de datos mencionada en el párrafo anterior no soporta y no
alcanza los valores de voltaje enviados y recibidos respectivamente, por los
elementos electroneumáticos como los sensores y válvulas de control, por dicha
razón se requiere de circuitos de potencia que hagan posible el cambio de niveles
de los voltajes recibidos y emitidos.
Figura 2. Tarjeta de adquisición de datos multifuncional NI USB-6211
2.3.1 SEÑALES ADQUIRIDAS Y GENERADAS
En el proceso de adquisición y generación de datos intervienen dos tipos de
señales: señales eléctricas de corriente directa y señales digitales. Las señales
eléctricas de corriente directa son enviadas y recibidas tanto por los equipos
12
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
electroneumáticos como por la tarjeta de adquisición de datos; sin embargo, los
valores de voltaje son diferentes.
El primer tipo de señales involucradas son las señales digitales enviadas
por una computadora a través de un software hacia la tarjeta de adquisición de
datos NI-USB 6211. Dichas señales digitales (valor de 0 lógico y valor de 1 lógico),
al ser enviadas a los puertos de las salidas digitales de la tarjeta de adquisición de
datos, son interpretadas como señales eléctricas de tal forma que un valor de 0
lógico corresponde a una señal eléctrica de entre 0 y 0.5 VDC, mientras que un
valor de 1 lógico generará una señal eléctrica de un valor entre 0.8 VDC y 1.5
VDC.
Por otro lado, las entradas digitales de la tarjeta de adquisición antes
mencionada soportan un valor máximo de voltaje de hasta 5 VDC. Una señal
eléctrica de entre 2 VDC y 5 VDC enviada a una entrada digital será interpretada
por la computadora como una señal digital de 1 lógico, mientras que un 0 lógico se
obtendrá cuando la tarjeta de adquisición de datos recibe una señal eléctrica de
entre 0 V y 0.8 VDC.
Los equipos de laboratorio empleados también envían señales eléctricas,
pero este caso maneja 24 VDC, las cuales son las señales enviadas por los
sensores eléctricos al ser activados; mientras que las electroválvulas se activan al
recibir este mismo tipo de señales (24 VDC).
13
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
CAPÍTULO
3
DESARROLLO DE LOS
CIRCUITOS DE
POTENCIA PROPUESTOS
3.1 CIRCUITOS PROPUESTOS
En el experimento propuesto en [1], los sensores empleados en el circuito
electroneumático se encargan de detectar la posición del vástago de los cilindros
neumáticos, de tal manera que, cuando el sensor detecte el vástago del cilindro se
enviará una señal eléctrica de 24 V de corriente directa. Por el contrario, si el
sensor no es activado (no se encuentra detectando el vástago del cilindro) la señal
eléctrica que envía es de 0 V.
La señal eléctrica enviada por los sensores (ya sea de 0 V o de 24 V de
corriente directa) es la que debe ser enviada a una de las entradas digitales de la
tarjeta de adquisición de datos para ser interpretada por la computadora como una
señal digital en donde un valor de 0 V representa un valor de 0 lógico y una señal
eléctrica de 24 VDC representa un valor digital de 1 lógico. Sin embargo, como ya
14
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
fue mencionado, la tarjeta de adquisición de datos no soporta la señal de 24 VDC
enviada por los sensores y es por ello que se requiere de un circuito de potencia
para las entradas digitales que permita enviar un valor de voltaje apropiado a la
tarjeta y además protegerla.
El esquema de la implementación del circuito de potencia para las entradas
digitales se muestra en la figura 3. En dicho diagrama se muestra como la señal
eléctrica enviada por los sensores es primeramente enviada al circuito de potencia
correspondiente, el cual se encargará de adecuar dicha señal. La señal de salida
del circuito de potencia es la señal eléctrica enviada hacia la entrada digital de la
tarjeta de adquisición de datos.
Como puede observarse en la figura, cuando la señal enviada por los
sensores es de 24 VDC, una señal eléctrica de 5 VDC es la que será enviada a la
tarjeta de adquisición de datos. Por otro lado, cuando el sensor envía una señal
eléctrica de 0 V, la entrada digital de la tarjeta de adquisición de datos recibirá esa
misma señal (0 V).
Figura 3. Esquema de la implementación del circuito de potencia para las
entradas digitales de la tarjeta de adquisición de datos.
15
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
Para la activación de las electroválvulas empleadas en el experimento
descrito en [1], una señal eléctrica de 24 VDC debe ser enviada a la electroválvula
que se desea activar; mientras que para desactivar la electroválvula es necesario
enviar una señal eléctrica de 0 V. La señal eléctrica correspondiente a un valor
lógico de 1 enviada por las salidas digitales de la tarjeta de adquisición de datos
empleada es de 1.3 VDC, lo cual es insuficiente para activar una electroválvula.
Por este motivo, dicha señal debe ser enviada primeramente a un circuito de
potencia que permita convertir dicha señal en una señal eléctrica de 24 VDC, la
cual es la que será enviada a las electroválvulas.
Figura 4. Esquema de la implementación del circuito de potencia para las salidas
digitales de la tarjeta de adquisición de datos.
La figura 4 muestra el esquema general de la implementación del circuito de
potencia para las salidas digitales. La señal eléctrica enviada por la tarjeta es
enviada al circuito de potencia y, posteriormente, una señal de salida de dicho
circuito es enviada a la electroválvula. Cuando una señal de 1.3 VDC es enviada
por la salida digital de la tarjeta, una señal de 24 VDC será la que finalmente sea
enviada a la electroválvula. La señal enviada a la electroválvula será de 0 V
16
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
solamente cuando la señal eléctrica enviada por la tarjeta de adquisición sea la
correspondiente a un valor de 0 lógico.
3.2 CIRCUITO DE POTENCIA PARA LAS SALIDAS DIGITALES
La señal enviada a este circuito es una señal eléctrica proveniente de la tarjeta de
adquisición de datos. Dependiendo del valor digital enviado por la computadora, la
señal eléctrica enviada por la tarjeta de adquisición será de 0 V o de 1.3 VDC. La
señal de salida del circuito de potencia será de 0 V o de 24 VDC, la cual será
enviada hacia las electroválvulas.
Es importante mencionar que el circuito desarrollado para las salidas
digitales no sólo permite obtener la señal eléctrica de 24 VDC necesaria para
activar los elementos electroneumáticos sino que también permite proteger a la
tarjeta de adquisición de datos de alguna sobrecarga.
3.2.1 ELEMENTOS EMPLEADOS
Los componentes electrónicos utilizados en el diseño del circuito de potencia
propuesto para las salidas digitales son los siguientes: una resistencia de 560 Ω,
un optoacoplador 4N26, un transistor TIP41C y un relevador RAS-0510. Estos
componentes fueron montados y conectados en una tablilla (protoboard) para
realizar las pruebas correspondientes. A continuación se describe brevemente
17
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
cada uno de dichos elementos, sus terminales de conexión y su función general
dentro del circuito.
Se utiliza un optoacoplador el cual es un dispositivo que tiene dentro de él
un fotoemisor y un fotoreceptor, el fotoemisor es un diodo emisor de luz y el
fotoreceptor es un fototransistor se llama así porque es un transistor sensible a la
luz.
El optoacoplador que se usará es el 4N26 tiene seis terminales y son
enumeradas del uno al seis, tiene tres en dos de sus lados opuestos, la
numeración empieza por la terminal que tiene un agujero a un lado es la número
uno, la siguiente es la dos y finalmente la número tres, la numeración se reanuda
con la terminal cuatro en el lado opuesto justamente enfrente de la terminal tres y
así sucesivamente hasta la última que es la seis.
La terminal uno y dos son el ánodo y cátodo respectivamente del
fotoemisor, la terminal tres no se conecta, la terminal cuatro, cinco y seis
corresponden al emisor, colector y base respectivamente del fotoreceptor. Todo
esto dentro del encapsulado como muestra la figura 5.
18
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
Figura 5. Optoacoplador 4N26 a) Terminales; b) Fotografía
Otro elemento empleado es el transistor dispositivo semiconductor que
tiene tres terminales emisor, base y colector. El emisor funciona como emisor de
portadores de carga, tiene la carga igual que el colector pero más dopado, es
decir con electrones libres y la base es la parte estrecha que separa al emisor del
colector con diferente carga.
Existen diferentes tipos de transistores, se utilizará un BJT (Bipolar Junction
Transistor) transistor de unión bipolar tipo NPN. En la zona N se encuentra la
carga negativa con electrones libres donantes y la zona P se localiza la carga
positiva con huecos aceptadores de electrones.
El transistor trabaja en diferentes regiones operativas se definen por la
forma en que el transistor es polarizado, unas de las regiones son: activa, inversa,
de corte y saturación. La región de saturación es la que se utilizará, ésta es
cuando el transistor recibe voltaje y entra al modo de conducción entre emisor y
19
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
colector, la corriente en emisor y colector es la misma que la de la fuente que lo
alimenta.
Figura 7. Transistor TIP 41C: a) Esquema; b) Fotografía
También se utiliza un relevador dispositivo electromecánico, funciona como
un interruptor controlado por un circuito eléctrico, por medio de una bobina y un
electroimán se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o
cerrar otros circuitos eléctricos independientes.
Cuando la corriente fluye por la bobina del electroimán el campo formado
atrae a la armadura, esto hace que los contactos puedan conmutar es decir, los
contactos abiertos se cierran y los contactos cerrados se abren, cuando la
corriente es interrumpida el muelle de retorno lleva los contactos a su posición
original. El relevador que se utiliza en el circuito es RAS-0510.
20
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
Figura 7. Fotografía relevador RAS-0510
Otro elemento empleado en el circuito de potencia es una resistencia
eléctrica para generar una caída de tensión. La resistencia empleada es de 560 Ω.
Finalmente utilizaremos una protoboard tablilla con orificios, en la cual se
puede insertar componentes electrónicos y cables para armar circuitos. Como su
nombre lo indica, esta tableta sirve para experimentar con circuitos electrónicos.
Está hecha de dos materiales, un aislante, generalmente un plástico, y un
conductor que conecta los diversos orificios entre sí de una aleación de cobre,
estaño y fosforo. Uno de sus usos principales es la creación y comprobación de
prototipos de circuitos electrónicos antes de llegar a la impresión mecánica del
circuito en sistemas de producción comercial.
21
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
3.2.2 DIAGRAMA DEL CIRCUITO
Las conexiones del circuito de potencia para las salidas digitales se muestran en
la figura 8. En dicho circuito, la terminal denominada Salida digital corresponde a
la señal enviada por las salidas digitales de la tarjeta de adquisición de datos.
Dicha terminal se encuentra conectada al optoacoplador cuya señal de salida es
conectada, a su vez, al transistor. Finalmente, la bobina del relevador será
activada por la señal enviada por el transistor y el voltaje que será relevado es de
24 VDC, señal eléctrica que será finalmente enviada a las electroválvulas. El
funcionamiento de cada uno de dichos elementos dentro del circuito se describe
en el siguiente apartado.
Figura 8. Diagrama esquemático del circuito de potencia para las salidas digitales.
22
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
3.2.3 FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO
Cuando la computadora envía una señal digital de un 1 lógico a un puerto de
salida digital de la tarjeta de adquisición de datos, esta salida digital genera una
señal eléctrica de 1.3 VDC, la cual es enviada al ánodo del optoacoplador. Dicha
señal eléctrica establece una corriente en el LED emisor del optoacoplador, con lo
cual el LED emite una luz que satura y activa la base del fototransistor.
Para
su
funcionamiento,
el
colector
tanto
del
fototransistor
del
optoacoplador como del transistor TIP 41C se conecta a una fuente de voltaje de
12 VDC, y debido a que la corriente proveniente del emisor del fototransistor es
alta se coloca una resistencia de 560 Ω para que haya una caída de tensión y
dicha corriente sature la base del transistor TIP 41C.
Los contactos del relevador se encuentran conectados a una fuente de 24
VDC (voltaje que será relevado) y a la electroválvula que será activada. La
corriente del emisor del transistor es la que finalmente activa la bobina del
relevador, cerrando su contacto normalmente abierto. De esta forma, la señal
eléctrica de 24 VDC activa la electroválvula.
Cuando la señal enviada por la computadora corresponde a un valor lógico
de cero, la salida digital de la tarjeta de adquisición de datos genera una señal
eléctrica de entre 0 y 0.8 V por lo que la corriente que se establece en el diodo
emisor de luz es insuficiente para emitir la luz necesaria que sature al
fototransistor y, por lo tanto, la base del transistor TIP 41C tampoco se saturará y
la bobina del relevador no será activada. De esta forma, el contacto normalmente
23
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
abierto del relevador no se cierra y la señal eléctrica enviada a las electroválvulas
es de 0 V.
La figura 9 muestra una fotografía del circuito antes descrito, armado y
montado en la protoboard.
Figura 9. Fotografía del circuito armado para las salidas digitales.
24
Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
3.3 CIRCUITO DE POTENCIA PARA LAS ENTRADAS DIGITALES
Los sensores eléctricos son los que envían la señal eléctrica a este circuito, cuya
función principal es que al recibir 24 VDC, envíe una señal de entre 2 VDC y 5
VDC a las entradas digitales de la tarjeta de adquisición de datos. De esta forma,
una computadora interpretará esta señal como un valor de 1 lógico.
La tarjeta de adquisición de datos empleada (NI- USB 6211) cuenta con una
fuente de voltaje de 5 VDC; aprovechando esta característica, la señal eléctrica
enviada a las entradas digitales será de 5 VDC tomada de la tarjeta.
3.3.1 ELEMENTOS EMPLEADOS
Algunos de los componentes utilizados para desarrollar este segundo circuito son
los mismos que se emplearon para armar el circuito anterior. Sin embargo, su
funcionamiento es diferente.
En este caso se utilizaron los siguientes elementos: un optoacoplador 4N26,
un relevador RAS-2410 y dos resistores, uno de 330 Ω y el otro de 560 Ω. Estos
elementos fueron conectados y montados en la protoboard (como se explica en la
siguiente sección) para posteriormente validar su funcionamiento.
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Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
3.3.2 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DEL CIRCUITO
La figura 10 muestra el diagrama de conexiones del circuito propuesto para las
entradas digitales. En este diagrama, la señal eléctrica enviada por los sensores
es aquella denominada como sensor, la cual es conectada a una de las terminales
del relevador para activar o no la bobina, dependiendo de la señal eléctrica
enviada.
El voltaje conectado al contacto del relevador es de 5 VDC. Como fue
mencionado, esta señal eléctrica se obtiene de la fuente con la que cuenta la
tarjeta de adquisición de datos. Esta misma señal de 5 VDC es también la que se
encuentra conectada a la resistencia de 560 Ω. En este caso, se utilizó el contacto
cerrado del relevador para que el circuito funcione apropiadamente, como se
explicará más adelante.
Finalmente, la señal de salida denominada Entrada digital es la señal
eléctrica que será enviada a la entrada digital de la tarjeta de adquisición.
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Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
Figura 10. Diagrama esquemático para las entradas digitales.
3.3.3 FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO
En este circuito, cuando la señal enviada por el sensor corresponde a 0 V, la
bobina del relevador se encuentra desactivada y por lo tanto el contacto NC
permanece cerrado. Cuando dicho contacto se encuentra cerrado, el voltaje de la
fuente de 5 VDC en serie con la resistencia de 330 Ω establecen un valor de
corriente adecuado en el LED emisor del optoacoplador para emitir la luz
suficiente que satura al fototransistor. Una vez que el fototransistor se satura, se
genera una corriente en la resistencia de 560 Ω y por lo tanto, el voltaje de salida
(enviado a la entrada digital de la tarjeta de adquisición) es igual a 0 V.
Si la señal eléctrica enviada por el sensor es de 24 VDC, la bobina del
relevador será activada y por lo tanto, el contacto normalmente cerrado se abrirá.
Cuando dicho contacto se encuentra abierto, no existe corriente que pase por la
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Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
resistencia de 330 Ω ni en el diodo emisor de luz, de tal forma que no hay luz que
incida sobre el fototransistor y consecuentemente, éste no se satura.
Debido a que el fototransistor no se satura, no se genera ninguna corriente
en la resistencia de 560 Ω y por lo tanto, la señal eléctrica de salida será igual a
los 5 VDC conectados a dicha resistencia. La figura 11 muestra este circuito de
potencia montado en la protoboard.
Figura 11. Fotografía del circuito de potencia conectado para las entradas
digitales.
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Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
CAPÍTULO
4
VALIDACIÓN DE LOS
CIRCUITOS DE POTENCIA
DESARROLLADOS
Las siguientes pruebas en los circuitos de potencia tanto para las salidas digitales
como para las entradas digitales fueron realizadas para comprobar los voltajes
requeridos y obtenidos en dichos circuitos antes mencionados.
Los valores de voltajes obtenidos son constantes ya que siempre se
obtendrán los mismos valores que se desean obtener, de acuerdo a su
funcionamiento de cada circuito de potencia.
4.1 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO PARA EL CIRCUITO DE POTENCIA
PARA LAS SALIDAS DIGITALES.
Para la validación de los circuitos de potencia desarrollados se realizaron unas
pruebas en las cuales se usan dos multímetros, una fuente de voltaje ajustable de
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Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
0 a 24 VDC y una fuente de 12 VDC. La fuente de voltaje ajustable de 0 a 24 VDC
para simular 24 VDC de un sensor o de una electroválvula.
4.1.1 Prueba con entrada de 0 V para las salidas digitales.
En la primera prueba del circuito de potencia para las salidas digitales se colocan
multímetros, en entrada y salida del circuito para observar que; cuando el voltaje
de entrada es cero el voltaje de la salida también es cero, lo podemos observar en
la siguiente imagen.
Figura 12. Fotografía de la prueba del circuito de potencia para las salidas
digitales con 0 V.
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Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
4.1.2 Prueba con entrada de 1.3 VDC para las salidas digitales
En esta prueba se conecta directamente la tarjeta de adquisición de datos así
como el multímetro para observar que la entrada para el circuito de potencia para
las salidas digitales es de 1.3 VDC. Y cuando el circuito es activado realiza su
trabajo relevando 24 voltios. En la figura 13 se pueden observar los voltajes de
entrada y salida en el circuito de potencia previamente mencionado.
Figura 13. Fotografía de la prueba del circuito de potencia para las salidas
digitales con 24 VDC.
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Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
4.2 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO PARA EL CIRCUITO DE POTENCIA
PARA LAS ENTRADAS DIGITALES
4.2.1 Prueba con entrada de 0 V para las entradas digitales
En el circuito de 5 VDC a 24 VDC también se realizó la prueba con entrada de
cero voltios, conectando multímetros en la entrada y en salida del circuito para
poder comprobar que cuando se tiene cero en la entrada también se tiene en la
salida del circuito cero voltios, se puede observar en la siguiente figura 14.
Figura 14. Fotografía de la prueba del circuito de potencia para las entradas
digitales con 0 VDC.
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Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
4.2.2 Prueba con entrada de 24 VDC para las entradas digitales
En esta prueba con entrada de 24 VDC para las entradas digitales, así como en
las anteriores también se colocaron multímetros en la entrada y salida del circuito
de potencia para observar los voltajes obtenidos. En la siguiente figura se
observan los valores de los voltajes cuando en la entrada se tienen 24 VDC en la
salida se obtienen 5 VDC.
Figura 15. Fotografía de la prueba del circuito de potencia para las entradas
digitales con 24 VDC.
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Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
CONCLUSIONES
De acuerdo a los resultados obtenidos en las distintas pruebas realizadas en los
circuitos de potencia puede concluirse que tiene las siguientes ventajas.
Una de las ventajas que presenta es su tamaño ya que pueden armarse
varios circuitos de potencia en una sola protoboard, gracias a que utiliza pocos y
pequeños elementos.
Se pueden utilizar los circuitos de potencia que sean necesarios, por
ejemplo para el sistema electroneumático para el cual es el circuito de potencia se
utilizaran cuatro de 24 VDC a 5 VDC ya que este sistema electroneumático cuenta
con dos cilindros neumáticos y a cada uno se le colocan dos sensores uno cuando
el vástago cilindro esta retraído y el otro cuando el vástago del cilindro está
extendido.
También se utilizaran tres circuitos de potencia de 1.3 VDC a 24 VDC ya
que el sistema electroneumático mencionado utiliza tres electroválvulas y se
necesita un circuito para cada una de las electroválvulas.
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Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
Los dos circuitos de potencia el de 1.3 VDC a 24 VDC y el otro circuito de 5
VDC a 24 VDC no solo son para el sistema electroneumático [1]. También pueden
ser utilizados en otros sistemas electroneumáticos, siempre y cuando requieran
voltajes para sensores y electroválvulas de 24 VDC.
Por ejemplo un sistema electroneumático con tres cilindros neumáticos
requeriría el uso de seis circuitos de potencia de 5 VDC a 24 VDC uno para cada
sensor y dos sensores para cada cilindro neumático, una a inicio de carrera y el
otro a final de carrera.
De los elementos empleados en los circuitos de potencia el optoacoplador
es importante porque es en él donde se realiza el aislamiento eléctrico, es por ello
que se lleva a cabo uno de los objetivos del presente trabajo; que es la protección
de la tarjeta de adquision de datos.
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Circuito electrónico de potencia para un sistema electroneumático dentro de un entorno virtual de aprendizaje
REFERENCIAS
[1] Villa López, F. H. “Control de un sistema electroneumático mediante
instrumentación virtual y su implementación en un laboratorio remoto” Tesis
profesional, Universidad Veracruzana, Septiembre 2012.
BIBLIOGRAFÍA
“Electrónica de potencia circuitos, dispositivos y aplicaciones”,
Muhammad H.
Rashid, Segunda Edición.
“Ingeniería de control moderna”, Katsuhiko Ogata, Quinta Edición.
Ortiz Méndez, Leoncio N. “Condiciones especiales en sistemas neumáticos y
electroneumáticos” Tesis profesional, Universidad Veracruzana, Julio 2009.
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