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Liceo Diego Portales
3º Electrónica
Control Eléctrico
Rogelio Ortega B.
SENSORES O CAPTORES
Un sensor es una unidad electrónica capaz de transformar magnitudes físicas o químicas,
llamadas variables de instrumentación, en magnitudes eléctricas.
Las variables de instrumentación dependen del tipo de sensor y pueden ser por ejemplo:
temperatura, intensidad lumínica, distancia, desplazamiento, presión, fuerza, torsión,
humedad, pH, etc.
Una magnitud eléctrica obtenida puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una
capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una tensión eléctrica (como en un
termopar), una corriente eléctrica (como un fototransistor), etc.
Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura directa y a veces
tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como por
ejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y filtros electrónicos que adaptan la señal a
los niveles apropiados para el resto de la circuitería.
Dependiendo del tipo de señal de salida del sensor, estos pueden ser:
- Sensor analógico.
- Sensor digital.
Los sensores analógicos entregan como salida un voltaje o una corriente continuamente
variable dentro del campo de medida especificado. El rango de voltaje de salida más común
es 0 a 10 V y los rangos de corriente de salida más comunes son de 0 a 20 mA y 4 a 20 mA.
Los sensores digitales entregan un voltaje o una corriente variable en forma de pulsos o pasos
discretos de manera codificada, es decir con su valor representado en algún formato de pulsos
o palabras, digamos PWM (Modulación de ancho de pulsos) o binario (0 - 1).
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TIPOS DE SENSORES
MAGNITUD FÍSICA
Posición lineal o angular
Desplazamiento y
deformación
Fuerza y torque
(deformación)
Presión
Caudal
Temperatura
Proximidad
Sonido
Acidez (pH)
Luz
Humedad
TRANSDUCTOR
Potenciómetro
Encoder
Transformador diferencial de
variación lineal (LVDT)
Galga extensiométrica
CARACTERÍSTICA
Analógico
Digital
Galga extensiométrica
Analógico
Presostato
Piezoeléctrico
Galga extensiométrica
Magnético
Termopar (Termocupla)
Detector de temperatura
resistivo (RTD)
Termistor (NTC y PTC)
Semiconductor (LM35)
Termostato (Bimetal)
Inductivo
Capacitivo
Fotoeléctrico
Final de carrera
Micrófono
IsFET
Fotodiodo
Fototransistor
Fotorresistencia (LDR)
Celda fotovoltaica
Capacitivo)
Resistivo (Humistor)
Humistato (expansión o
contracción)
Digital
Analógico
Analógico
Analógico
Analógico
Analógico
Analógico
Analógico
Analógico
Analógico
Digital
Digital
Digital
Digital
Digital
Analógico
Analógico
Digital
Analógico
Analógico
Analógico
Analógico
Analógico
Digital
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SENSORES ANALÓGICOS
1. Sensor de caudal
Los sensores de flujo comúnmente llamados caudalímetros miden el volumen de líquido que
pasa por un punto determinado durante un periodo definido. El flujo de un líquido que pasa
por una tubería depende de cuatro factores: velocidad, densidad, viscosidad de flujo y el
diámetro de la tubería.
La operación de un caudalímetro magnético se basa en la ley de Faraday, que indica si un
conductor se mueve a través de un campo magnético, entonces se induce en el mismo un
voltaje (E) proporcional a su longitud (D), su velocidad de desplazamiento (V) y la intensidad
del campo (B). En este caso el fluido en movimiento actúa como conductor, mientras que el
campo lo establecen dos bobinas montadas en las paredes exteriores de la tubería y excitadas
por un voltaje DC pulsante.
Fórmula de Faraday:
E
D V B
Donde:
E = Voltaje inducido en el conductor (electrodos)
D = Longitud del conductor (distancia entre los electrodos)
V = Velocidad del conductor (velocidad promedio del fluido)
B = Fuerza del campo magnético
El voltaje inducido que es proporcional al caudal volumétrico, se capta a través de dos
electrodos localizados en las paredes internas de la tubería.
Los caudalímetros magnéticos dependiendo del método de montaje pueden ser de dos tipos:
‾ En línea o tipo galleta
‾ De inserción
Los encontrados en la planta el tabaco son del tipo galleta, los cuales son utilizados en
aplicaciones de alta precisión, el campo magnético se produce a través de toda la sección
transversal de la tubería de flujo.
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2. Transmisor de presión
El transmisor de presión ha sido diseñado para todos los campos industriales en la medida de
presión. Las aplicaciones típicas las encontramos en la ingeniería mecánica, plantas y la
industria de la automatización así como en la industria de la refrigeración y el aire
acondicionado.
Estos sensores son alimentados con voltaje de 10 a 30 VDC y entregan señales de salida
análoga entre 4 a 20 mA y 0 a 10 V, con lo que este transmisor puede ser integrado fácilmente
en diferentes sistemas incluso bajo condiciones ambientales difíciles.
Los trasmisores de presión poseen interiormente un diafragma que se deflecta
proporcionalmente a la presión aplicada y una galga o puente de galgas (interconectadas
formando un puente de Wheatstone) adheridas al diafragma que varían su resistencia de
acuerdo a la magnitud de la fuerza resultante. Tanto el diafragma como las galgas
extensiométricas (strain gage) pueden ser de material metálico o semiconductor. Las galgas
fabricadas de semiconductores son las más utilizadas en la actualidad, también se les
denomina piezorresistores.
Figura transmisor
Cableado eléctrico
UB+: Fuente alimentación
Sig+: Carga (PLC)
Características técnicas transmisor de presión:
Temperatura permisible
Tensión de alimentación
Rango de medición
Señal de salida análoga
Índice de protección
-30 °C a +80 °C
10 a 30 VDC
0 a 16 bar
4 a 20 mA
0 a 10 V
IP65
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3. Sensor de nivel ultrasónico
El transmisor envía un pulso ultrasónico (20 – 100 kHz) hacia la superficie del líquido (agua),
mientras que el receptor capta el eco, es decir, el pulso reflejado. El tiempo trascurrido desde
el instante en que se produce el pulso ultrasónico hasta el instante en que se recibe el eco, es
proporcional a la distancia entre el sensor y la superficie del líquido y por lo tanto al nivel de
este último. El sensor puede estar o no en contacto con el líquido.
Se suprimen de manera fiable fuentes de interferencias tales como uniones soldadas, objetivos
fijos, etc. Las propiedades químicas y físicas del medio no afectan al resultado de la medida.
Por lo tanto, se pueden medir sin problemas sustancias agresivas, abrasivas, viscosas y
adherentes.
El sensor ultrasónico es alimentado con una tensión continua de 10 a 30 VDC y entrega una
salida análoga de 4 a 20 mA y de 0 a 10 V al controlador lógico programable.
Características técnicas del sensor de nivel ultrasónico:
Temperatura de funcionamiento
Tensión de alimentación
Consumo de potencia
Alcance de medición
Precisión
Resolución
Salida análoga
Indicadores
Montaje
Índice de protección
-25 °C a +70 °C
10 a 30 VDC
1.200 mW
0,3 m a 4 m
0,5 % del fondo de escala
2mm
4 a 20 mA, RL máx 500 Ω
0 a 10 V, RL mín 1 kΩ
LED verde, en funcionamiento
LED rojo intermitente de 2 Hz, fallo
Ha de montarse perpendicular al nivel a medir
IP 55
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ACTUADORES ELÉCTRICOS
1. Contactores
Los contactores son interruptores electromecánicos que es accionado por un electroimán o
bobina con corriente. Se utiliza para permitir o interrumpir automáticamente el flujo de
corriente a través de motores monofásicos y trifásicos de mediana y alta potencia.
Al aplicar una tensión a la bobina, a través de esta circula una corriente y se produce en su
interior un campo magnético, el cual es concentrado e intensificado por el núcleo fijo. Este
campo a su vez, ejerce una fuerza sobre la culata móvil, superior a la fuerza ejercida por el
resorte. Como resultado la culata es atraída por núcleo, cerrándose el circuito magnético y el
resorte se comprime. Esto último causa que los contactos se cierren. Esta situación se
mantendrá mientras permanezca energizada la bobina. Al retirar la tensión, cesa la corriente,
se extinguen el campo magnético y la fuerza atractiva, y el resorte retorna los contactos a su
posición original.
2. Pilotos de señalización
Los pilotos de señalización se utilizan para indicar si un contacto y por tanto una carga
(motor) está o no operando. Sirven además para llamar la atención sobre el correcto
funcionamiento de una máquina o equipo, facilitando su control y mantenimiento, y por ende
aumentando la seguridad de los operarios.
Existen dos tipos de señalizadores ópticos, el primero de mica color verde (indica
funcionamiento normal) y el segundo de mica color roja (indica falla por sobrecarga).
Piloto de señalización verde
Piloto de señalización roja
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Motor de inducción trifásico
Los motores de inducción trifásicos son los más utilizados en equipos industriales de trabajo
pesado debido a que ofrecen un par (torque) elevado y un gran rendimiento. El devanado de
campo se compone de tres bobinas, donde cada una de ellas se alimenta a la red trifásica (380
V). Al conectar el motor a red, las corrientes en las bobinas del estator producen un campo
magnético giratorio. Este campo actúa sobre el campo magnético secundario producido por la
corriente inducida en el rotor y mantiene a este último en movimiento permanente.
El motor de inducción trifásico se compone básicamente de una parte fija o estator y una parte
móvil o rotor.
El estator comprende la carcasa, un núcleo magnético, un devanado y una bornera. La carcasa
sirve de soporte al núcleo magnético, el cual está formado por un gran número de láminas
ferromagnéticas apiladas que forman ranuras donde se aloja el devanado estatórico, encargado
de producir el campo magnético giratorio. La bornera permite tener acceso a los principios de
las bobinas, identificados como U1, V1 y W1, y los finales identificados como U2, V2 y W2.
El rotor se compone de un eje y otro paquete de láminas ferromagnéticas que llevan en la
periferia unas ranuras para alojar las bobinas rotóricas. Los extremos del eje se introducen en
unos cojinetes o rodamientos. Dependiendo de la disposición de los conductores del rotor, se
habla de motores de jaula de ardilla y motores de rotor bobinado.
Los motores de jaula de ardilla son los más comunes, el bobinado del rotor está formado por
un conjunto de conductores desnudos de cobre o aluminio, puestos en cortocircuito por sus
extremos mediante dos anillos frontales del mismo material.
En los motores de rotor bobinado, el rotor lleva un bobinado trifásico en estrella, alojado en
las ranuras del núcleo magnético.
Conexión en estrella
Conexión en triángulo
Devanados del motor
Devanados del motor
Caja de conexiones
Caja de conexiones
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El arranque estrella - triángulo es uno de los métodos por tensión reducida más usado en la
industria para la puesta en marcha de motores de inducción de mediana potencia (entre 10 y
25 kVA), por su fácil construcción, bajo costo y alta confiabilidad. Para su aplicación, se
requiere que el motor este diseñado para tal propósito; esto implica que éste pueda funcionar
en régimen permanente con sus bobinas conectadas en triángulo y sometidas a la tensión de
línea (380/660 VAC) y que además los seis terminales de sus bobinas sean accesibles (U1,
U2, V1, V2, W1, W2).
EQUIPOS DE CONTROL
1. Variador de frecuencia
Los variadores de frecuencia son equipos electrónicos de estado sólido, ampliamente
utilizados en la industria para controlar velocidad en motores de inducción AC trifásicos que
impulsan ventiladores, bombas, compresores, ascensores, líneas de proceso, etc.
En estos, la potencia AC trifásica se rectifica y filtra quedando potencia DC que se aplica al
inversor. La magnitud y la frecuencia del voltaje AC de salida del inversor pueden ser,
controlados utilizando técnicas de modulación de ancho de pulso (PWM) por medio del
microprocesador o controlador.
Para evitar que se produzca saturación magnética, el motor debe trabajarse con una relación
v/f (voltaje/frecuencia) constante.
Variador de frecuencia Altivar
Variador de frecuencia Siemens
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A continuación se presenta un circuito esquemático de un variador de frecuencia típico.
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2. Controlador lógico programable (PLC)
Un autómata programable o PLC, es un dispositivo programable diseñado para el control de
señales eléctricas asociados al control automático de procesos industriales.
Un PLC posee las herramientas necesarias, tanto de software como de hardware, para
controlar dispositivos externos, recibir señales de sensores y tomar decisiones de acuerdo a un
programa que el usuario elabore según el esquema del proceso a controlar.
El PLC está compuesto de tres componentes principales:
‾ Unidad central de proceso (CPU)
‾ Grupo de entradas (X) o (I)
‾ Grupo de salidas (Y) o (Q)
Las entradas pueden ser digitales (pulsador, fin de carrera, sensor de proximidad, presostato,
termostato, etc.) o análogas (transmisor de presión, caudalímetro magnético, sensor de
temperatura, etc.).
Las salidas pueden ser digitales (bobina contactor, piloto de señalización, etc.) o análogas
(electroválvula reguladora de caudal o válvulas proporcionales).
Existen dos tipos de PLC:
‾ PLC modulares
‾ PLC compactos
Cualquiera sea el tipo de PLC, están compuestos de varias partes internas entre ellas:
‾ Fuente de alimentación
‾ Unidad central de procesos
‾ Memoria ROM
‾ Memoria de datos RAM
‾ Memoria de programa (EEPROM)
‾ Interfaces de entrada y salida
PLC compacto
PLC modular