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  • 1. ELECTRNICAINDUSTRIALMODERNAQ U II N TAE D I C I NTimothy J. MaloneyMonroe County Community CollegeMonroe, MichiganTRADUCCIN:Carlos Mendoza BarrazaInstituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de MonterreyCampus Estado de MxicoVirgilio Gonzlez y PozoFacultad de QumicaUniversidad Nacional Autnoma de MxicoREVISIN TCNICA:Agustn Surez FernndezDepartamento de Ingeniera ElctricaUniversidad Autnoma Metropolitana. Unidad Iztapalapa

2. Datos de catalogacin bibliogrficaMALONEY, TIMOTHY J.Electrnica industrial moderna. 5a. edicin PEARSON EDUCACIN, Mxico, 2006ISBN: 970-26-0669-1rea: Ingeniera electrnicaFormato: 20 25.5 cm Pginas: 1000Authorized translation from the English language edition, entitled Modern Industrial Electronics by Timothy J.Maloney, published by Pearson Education, Inc., publishing as Prentice Hall, Inc. Copyright 2004, 2001,1996, 1986, 1979. All rights reserved.ISBN 0-13-048741-4Traduccin autorizada de la edicin en idioma ingls, titulada Modern Industrial Electronics por Timothy J.Maloney, publicada por Pearson Education, Inc., publicada como Prentice Hall, Inc. Copyright 2004, 2001,1996, 1986, 1979. Todos los derechos reservados.Esta edicin en espaol es la nica autorizada.Edicin en espaolEditor: Pablo Miguel Guerrero Rosase-mail: [email protected] de desarrollo: Felipe Hernndez CarrascoSupervisor de produccin: Enrique Trejo HernndezEdicin en inglsEditor in Chief: Stephen Helba Design Coordinator: Diane ErnsbergerAssistant Vice President and Publisher: Charles E. Stewart, Jr. Cover Designer: Jeff VanikAssistant Editor: Mayda Bosco Cover art: Digital VisionProduction Editor: Alexandrina Benedicto Wolf Production Manager: Matt OttenwellerProduction Coordination: The GTS Companies/York, PA Campus Marketing Manager: Ben LeonardQUINTA EDICIN, 2006D.R. 2006 por Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V.Atlacomulco 500, 5o. pisoColonia Industrial Atoto53519 Naucalpan de Jurez, Edo. de MxicoE-mail: [email protected] Nacional de la Industria Editorial Mexicana.Reg. Nm. 1031.Prentice-Hall es una marca registrada de Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V.Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicacin pueden reproducirse, registrarseo transmitirse, por un sistema de recuperacin de informacin, en ninguna forma ni por ningn medio, seaelectrnico, mecnico, fotoqumico, magntico o electroptico, por fotocopia, grabacin o cualquierotro, sin permiso previo por escrito del editor.El prstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesin de uso de este ejemplar requerir tambin la autorizacindel editor o de sus representantes.ISBN 970-26-0669-1Impreso en Mxico. Printed in Mexico.1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 08 07 06 3. PREFACIOEiiilectrnica industrial moderna, quinta edicin, proporciona un panorama de sistematotal del mundo de la fabricacin y produccin automatizada para estudiantes de tec-nologaelectrnica y elctrica. Mantiene el compromiso original, intacto desde laprimera edicin, de mostrar la forma en que los dispositivos electrnicos modernos se em-pleanen las aplicaciones industriales del mundo real.Los nuevos temas que esta seccin abarca son:Captulo 3, PLCs Bifurcacin de programas instruccin de salto. Subrutinas paso de parmetros a una subrutina y parmetros de retorno desde una subrutina.Captulo 8, Amplificadores operacionales Degradacin de la seal de voltaje ocasionada por: (1) cada IR; (2) ruido elctrico acopla-dode forma capacitiva, incluyendo transitorios de conmutacin; y (3) ruido acoplado mag-nticamente. Blindaje magntico y elctrico. Conexin a tierra adecuada. Transmisin de seal de lazo de corrienteNOTA PARA LOS ESTUDIANTESLas capacidades de los sistemas de fabricacin industrial se han expandido a un nivel sobresa-lientedesde la primera edicin de electrnica industrial moderna que fue publicada en 1979.Parte de esta nueva capacidad tiene que ver con un control ms preciso sobre los procesos y lasmquinas, y por otra parte con nuestra mayor capacidad para medir y realizar registros de las va-riablesde produccin. Esta expansin tiene dos repercusiones directas para usted. En primer lu-gar,hace que su trabajo sea ms demandante. En segundo lugar, le ofrece la oportunidad de unamayor satisfaccin y recompensas personales, debido a que quien pueda aprender y dominar loscontroles industriales de alta tecnologa actuales es buscado por los empleadores. Como tecn-logode ingeniera o tcnico que trabaja en una industria moderna, usted forma parte de un gru-poselecto, indispensable para la rentabilidad y la productividad de su compaa. De hecho, la 4. iv PREFACIOcontribucin de su trabajo tiene un impacto evidente sobre la productividad total de la sociedady la seguridad econmica. El hecho de saber que le ha sido confiada esa responsabilidad debeser un cumplido.En esta edicin, como en las cuatro ediciones previas que sus predecesores emplearon parainiciar sus carreras, he tomado todas las previsiones posibles para ayudarle a alcanzar el nivelde habilidad necesaria para desempear sus responsabilidades laborales. Con el fin de alcanzaresta meta, esta edicin presenta un ejercicio de Solucin de problemas en la industria al finalde cada captulo. Estos ejercicios requieren que aplique el conocimiento que ha adquirido del cap-tulopara solucionar un problema. Al realizarlos de manera individual o por equipo, se encontrara s mismo ejercitando su comprensin tcnica, pensando imaginativamente, y resolviendo pro-blemasde la vida real, en otras palabras, realizando la transicin de ser un estudiante de salnde clase a un tcnico prctico o un tecnlogo en el rea industrial.Mis mejores deseos para su carrera laboral.CARACTERSTICAS DEL TEXTOFotografa al inicio de cada captuloCada captulo comienza con una fotografa explicativa que representa alguna prctica industrialmoderna. La figura A muestra las pginas de apertura del captulo 17. Utilice estas presentacio-nespara darse una idea de algunas de las oportunidades interesantes y responsabilidades labora-lesen el campo de la electrnica industrial. Los textos descriptivos y los crditos de ests se pre-sentanen la pgina vii.ObjetivosLa primera edicin, publicada en 1979, fue el libro de texto original tecnolgico universitarioque explcitamente expuso los objetivos de aprendizaje al inicio de cada captulo. Como esnatural, ese precedente se contina en esta quinta edicin. Al encontrarse estudiando o leyendo,FIGURA AFotografa de apertura delcaptulo 17: la telemetramoderna de radio a menudoutiliza un satlite de rbitaterrestre para laretransmisin de informacincodificada digitalmente omodulada por pulsos.C A P T U L O17TTEELLEEMEETTRRAFPO En la mayor parte de los casos de control industrial, el transductor de medicin y el dis-positivode correccin final estn en la misma zona. Hay aplicaciones ocasionales enlas que debe transmitirse el valor medido a una distancia bastante grande, quiz varioscientos de metros o ms. Hay otros casos adems, por ejemplo en la distribucin de energaelctrica, que la medicin debe transmitirse a muchos kilmetros hasta el controlador. Siem-preque se manda una medicin hasta una gran distancia, por cable o por fibra ptica, no puedemantenerse en su forma analgica original. El ruido y la degradacin de la seal a grandesdistancias perjudican la integridad de los voltajes analgicos.En su lugar, el voltaje analgico original debe convertirse en alguna forma de modu-lacinde pulsos, o bien convertirse en un valor digital codificado, y transmitido bit por bit.La telemetra es la tecnologa de cambiar una medicin analgica a una de las dos formas an-teriores(modulacin o codificacin), transmitir la forma alterada una distancia grande, paraentonces volver a convertir la informacin recibida en seal analgica.OBJETIVOSDespus de estudiar este captulo, podr usted:1. Describir las ventajas de transmitir los valores medidos por medio de modulacin depulsos, y no en forma analgica directa.2. Indicar cmo un par de circuitos integrados 555 pueden hacer modulacin por ancho depulso.3. Indicar cmo se demodula una seal modulada por ancho de pulso con un filtro de paso bajo.4. Explicar cmo se deriva la modulacin por posicin de pulso de la modulacin por anchode pulso.5. Explicar por qu la modulacin por frecuencia de pulsos es ms inmune al ruido que lamodulacin por ancho de pulso o por posicin de pulso.6. Indicar cmo se hace la modulacin por frecuencia de pulsos con un 555.7. Describir el funcionamiento de un lazo de seguimiento de fase.8. Usar un lazo de seguimiento de fase tipo 565 para demodular una seal modulada porfrecuencia de pulsos.9. Describir la ventaja del multiplexado en un sistema de telemetra.10. Trazar el diagrama de bloques de un sistema de telemetra multiplexada y explicar sufuncionamiento.11. Describir el uso de radiotransmisin en vez de transmisin por cable o por fibra, en latelemetra.12. Indicar la diferencia entre los mtodos analgicos de modulacin de pulsos y la codificacindigital de pulsos, y describir la ventaja del mtodo digital.803 5. PREFACIO vDiodos dealto voltaje30 a40 kVcd+PlacasCFIGURA 612Precipitador electrosttico para eliminar ceniza proveniente de la combustin de carbnde una planta elctrica.trate de realizar la tarea que cada objetivo requiere. Si puede realizar estas tareas, entonces esta-raprendiendo lo que el libro o el curso tienen que ofrecer. Si encuentra que no puede satisfacerlos objetivos, realice preguntas adicionales en clase o consltelas en privado con su instructor.Solucin de problemas en la industriaEn la seccin final de cada captulo se proporciona un ejercicio denominado Solucin de pro-blemasen la industria que es representativo de los deberes que desempear cuando trabaje comoapoyo tcnico o de ingeniera. La figura B muestra la solucin de problemas en la industria delcaptulo 6, de las pginas 242 a la 243, el cual requiere que disee un procedimiento para probary arreglar desperfectos en un precipitador electroesttico de cenizas de gran escala. Esta tareainvariablemente requiere que utilice el conocimiento que ha adquirido de ese captulo de unaforma creativa. Su instructor puede pedirle que la solucin escrita o dibujada sea presentada in-dividualmenteo en un equipo de dos o tres personas. En la mayor parte de los casos son posiblesvarias soluciones; por tanto, usted y las dems personas de su clase presentarn sus soluciones ala clase completa de manera que todos puedan compartir los diferentes mtodos y formas depensar con los cuales se enfrentaron al problema.EjemplosCuando se trata de entender nuevas ideas, especialmente el uso de nuevas frmulas matemti-cas,los ejemplos representan una ayuda para todas las personas. En este texto, se proporcionanejemplos para todas las situaciones en que se requieran clculos numricos.ResumenAl final de cada captulo, se encuentra una lista de las principales ideas que se desarrollarondentro de ese captulo. Las frmulas matemticas del captulo, en su caso, tambin estn reuni-daspara su consulta rpida para la solucin de tareas.FIGURA BSolucin de problemas enla industria del captulo 6: losejercicios del trabajo, que seacompaan con ilustracionesy fotografas le retan adesarrollar labores dela vida real.SOLUCIN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIAELIMINACIN DE PARTCULASDE CENIZA DE UNA PLANTA DEGENERACIN DE ENERGAELCTRICA ALIMENTADACON CARBNEl carbn es el combustible fsil ms abundantesobre la tierra. Se estima que las reservas decarbn en Norteamrica contienen quiz tresveces ms energa que las reservas de petrleo de laregin del Golfo Prsico. Los problemas con el carbnson debidos al alto costo de su excavacin y a que esms sucio que el petrleo.El carbn combustible para la generacin de energaelctrica afecta el medio ambiente de diversas maneras:(1) produce partculas de cenizas slidas que no pertenecena la atmsfera o a los campos de cultivo frtiles. (2) Pro-ducegas dixido de azufre (SO2), el cual es la causa de lalluvia cida. (3) Produce gas de bixido de carbono (CO2),el cual contribuye al efecto invernadero.Mientras esperamos a que los investigadores de la fu-sinnuclear acten conjuntamente, la industria del car-bncombustible est logrando grandes mejoras en lasprimeras dos reas: la eliminacin de partculas de cenizay la eliminacin del SO2. Describiremos ahora el procesorelacionado con la ceniza y hablaremos sobre el SO2 en lasolucin de problemas en el trabajo del captulo 12.Las partculas slidas de ceniza se eliminan al hacerpasar los productos de combustin a travs de un precipi-tadorelectrosttico. ste es un conjunto de placas de re-coleccinde metal de gran superficie con barras de metalcargadas entre ellas. Las barras se denominan en algunasocasiones electrodos de descarga.Las placas recolectoras se conectan elctricamente demanera conjunta, y las barras tambin estn conectadasconjuntamente como se muestra en la figura 6-12. Unvoltaje muy alto, de alrededor de 40 kV cd con pulsos so-breimpuestosde 50 kV p-p ca, se aplica entre las placas ylas barras, negativo en las barras en esta industria. En elmomento en que las partculas de ceniza pasan a travs delas barras, ests por s mismas se vuelven de carga nega-tiva.Entonces, son atradas y capturadas por las placas re-colectorascargadas positivamente. Peridicamente, lasplacas deben ser sacudidas para ser vaciadas de las partcu-lasde ceniza acumuladas en su superficie hacia el conte-nedorrecolector inferior. Esto se logra mediante solenoideselectromagnticos de resortes. Con el tiempo, algunaspartculas de ceniza tambin se adhieren a las barras, asque igualmente deben ser sacudidas de vez en cuando. Lafigura 6-12 muestra un sacudidor de placas y un sacudi-dorde barras, pero en realidad existen docenas de cada uno.Un precipitador inteligente moderno puede capturar el99.98% de la ceniza de la corriente del tubo de escape. Pue-dehacer tan buen trabajo debido a que est equipado concontroles electrnicos avanzados que pueden percibir laacumulacin de suciedad en las placas y automticamenteajustar el voltaje aplicado. Tanto el valor de la lnea de refe-renciacd como la frecuencia y magnitud de los pulsos de cavaran automticamente conforme las partculas de cenizase acumulan. En general, el circuito de control trata de ajus-tarlos voltajes a los valores ms altos posibles, sin permitirarcos severos entre las placas y las barras. Un arco prolon-gadodaara las superficies de metal, como usted ya sabe.Los controles electrnicos tambin ajustan la velocidadde sacudimiento. Para condiciones de saturacin moderadala velocidad de sacudimiento puede ser tan larga como untiempo de 100 minutos de recorrido completo. (Los sacu-didoresoperan secuencialmente, no todos al mismo tiem-po.)Para condiciones de alta suciedad, el tiempo de reco-rridocompleto de la velocidad de sacudimiento puede sertan rpido como un minuto.Derechos de autor 1993, Dirk Publishing Company. Bajo autorizacin.En la figura 6-12, la ca variable al puente de alto voltajese produce mediante una conmutacin de triac del devana-doprimario de un transformador de subida. Una versinsimplificada del circuito se muestra en la figura 6-13(a).El circuito de control de disparo en esa figura estconstruido como lo muestra la figura 6-11(f) con VF, va-riabledesde aproximadamente 6.4 V hasta 4.4 V. Esavariacin de VF cambia el ngulo de retardo de disparodel triac de 30 a aproximadamente 45.Cuando el triac dispara a 30, la situacin se muestraen las formas de onda de la figura 6-13(b). Las explosio-nesde voltaje secundario iniciales tienen una magnitudpico de aproximadamente 30 kV, el cual entonces se con-vierteen el voltaje de lnea base de cd entre las placas ylas barras en la figura 6-12.Cuando el disparo del triac se retrasa a 45, la situa-cinse muestra en las formas de onda de la figura 6-13(c).El ngulo de disparo atrasado produce un voltaje transito-rioprimario mucho mayor, creando explosiones secundariasiniciales de cerca de 40 kV. Por tanto, el rectificador depuente y el filtro de capacitor eleva el voltaje de la lneabase de cd a este valor ms alto.ASIGNACIN DE TAREAEl dispositivo que monitorea la concentracin final de ce-nizaen los ltimos gases del tubo de escape de la parte242superior de la chimenea est indicando que demasiada ce-nizase est yendo a travs de precipitador de la figura 6-12y no se est capturando. Como tcnico responsable delmantenimiento del sistema de eliminacin de ceniza,debe identificar el problema e implementar una reparacinpermanente o temporal. El precipitador real tiene gruposde 30 barras y 30 cables de conexin que se unen a la ter-minalnegativa de alimentacin de cd, no slo a los gru-posde tres barras mostradas en la figura 6-12.Su instrumentacin para prueba incluye un voltmetrode cd de voltaje muy alto y un voltmetro de ca de voltajemuy alto, ambos con puntas de seguridad especiales.Tambin cuenta con un ampermetro de cd de 10 A y unosciloscopio de trazo dual con una punta especial de altovoltaje dividida entre 100.Un precipitador de este tamao que funciona adecua-damentese sabe que tiene una mxima demanda de co-rriente(promedio) de cd de 25 amperes. Su medicin delLa magnitudde ca esautomticamentevariadaV (kV)t+2525Sacudidorde barra Sacudidorde placa40 piesBarras30 pies30 piesFlujo horizontalde productosde combustinsuciosAn si inicia algn arco aislado,no podr persistir. Esta sobrecarganegativa lo extingueTolva de recoleccin de ceniza243 6. vi PREFACIOPreguntas y problemasNumerosas preguntas y problemas, organizados por seccin de captulo, se proporcionan paraperfeccionar su comprensin y ejercitar sus habilidades de solucin de problemas. Su instructorle asignar algunas de ellas como tareas. Quiz podra agregar problemas para su propia satis-faccin.Cuanto ms practique, ms aprender.GlosarioLas definiciones para cientos de trminos utilizados en electrnica industrial se enumeran en elglosario. La mayor parte de estos trminos fueron presentados en este texto, pero algunos pro-vienendel trabajo anterior de un curso de electricidad y electrnica. Utilice el glosario para re-frescarsu memoria o para verificar su entendimiento acerca del significado de una palabra.AUXILIARES* El manual de laboratorio que acompaa a este texto, realizado por James R. Davis (ISBN0-13-032332-2), contiene experimentos escritos para beneficio de los estudiantes implica-dosen cursos de electrnica industrial para programas de tecnologa ingenieril o programasde aprendizaje de electrnica industrial. Manual del instructor: contiene respuestas a todas las preguntas de final de captulo; solu-cionesa las secciones de solucin de problemas en el trabajo; y un archivo de prueba,que contiene 20 preguntas de opcin mltiple para cada captulo. Tambin, empacadascon cada MI, manual del instructor, se encuentran las diapositivas de PowerPoint (ISBN0-13-048742-2). Las figuras del texto se disean para ayudar a los instructores con laspresentaciones de saln de clase/conferencias. Las diapositivas estn contenidas en un CDcon el Manual del instructor.*Para mayor informacin sobre el material auxiliar, contacte a su representante local de Pearson Educacin.AGRADECIMIENTOSAgradecemos a todas las personas que prestaron su ayuda en esta revisin, en especial a PhilipLomache por su lectura meticulosa de la cuarta edicin la cual expuso varios errores y ambige-dades.stas han sido corregidas de manera que la quinta edicin no adolece de ellas. Tambinagradecemos a Mayda Bosco por su amplia referencia. La edicin y la produccin se realizaronsin problemas bajo la direccin de Alex Wolf y Kelly Ricci.Los comentarios y opiniones de los revisores son importantes para una revisin efectivade libro de texto. Gracias a los siguientes revisores por sus sugerencias: David P. Beach, IndianaState University; William Hessmiller, EditorsTraining Associates; Professor Dan Lookadoo,New River Community College, Virginia; Profesor David J. Malooley, Indiana State University;y Profesor Richard L. Windley, ECPI College of Technology, Virginia.T. J. M. 7. vii TEXTOS DE FOTOGRAFAS Y CRDITOSPgina xx Herramienta de mquina automatizada que realiza el corte de precisin del diente del engranegrande. (Cortesa de la Society of Manufacturing Engineers.)Pgina 34 En el piso de produccin, el uso de las partes se cuenta electrnicamente y se compara peri-dicamentecon el dibujo predefinido. Luego se enva automticamente una orden de resumi-nistropara producir un reabastecimiento justo a tiempo del inventario. (Cortesa de GeneralElectric Company.)Pgina 74 Chasis de E/S de un sistema grande PLC. (Cortesa de General Electric Company.)Pgina 160 Vehculo de levitacin magntica que avanza a 400 km/hr. (Cortesa de Railway Technical Re-searchInstitute of Japan.)Pgina 186 Este sistema de inspeccin de tomografa computarizada avanzada (ACTIS) utiliza rayos Xpara realizar un examen interno detallado de partes fabricadas. Por ello puede descubrir fallasinternas y fracturas de tensin. (Cortesa de la NASA.)Pgina 218 Las torres de destilacin qumica muchas veces tienen sus procesos de calentamiento y con-densacincontrolados por tiristores de alta potencia. ( Brownie Harris.)Pgina 252 Robot soldador. (Cortesa de la Society of Manufacturing Engineers.)Pgina 294 El vehculo MagLev en su camino de acercamiento, que avanza sobre su suspensin mecni-ca,pero es propulsado por electromagnetos laterales como es comn. (Cortesa de RailwayTechnical Research Institute of Japan.)Pgina 346 Cuando se reproduce un disco compacto, la cabeza del lser comienza a cerrarse hacia el cen-tro,despus se mueve radialmente hacia el eje externo. Si la velocidad de giro se mantuvieraconstante, las pistas exteriores se moveran ms rpido a travs de la cabeza que las pistas in-teriores;esto no se puede permitir. Los reproductores de discos compactos utilizan un sistemade retroalimentacin electrnica para ajustar la velocidad de giro rotacional del disco de ma-neraque los bits sincronizadores que estn grabados junto a los bits de msica se detecten enuna velocidad constante. Por tanto, la msica grabada se lee y se reproduce a una velocidadconstante. ( Steve Dunwell de General Electric Company.)Pgina 398 Aparato de prueba para los detectores de proximidad de efecto Hall utilizados sobre una rutade levitacin magntica. (Cortesa de Railway Technical Research Institute of Japan.)Pgina 478 Instrumentacin de prueba de alta frecuencia. (Cortesa de Tektronix, Inc.)Pgina 528 Los motores de cd de ltima generacin tienen eficiencias de eje generales por encima del95%. ( Joe McNally de General Electric Company.)Pgina 596 Los sistemas de ensamblado robtico pequeo a menudo utilizan motores de pasos o motoresde cd sin escobillas disparados por posicin para realizar sus movimientos. (Cortesa de SeikoInstruments USA, Inc.)Pgina 632 Sistema de manejo de motor de ca de frecuencia variable. (Cortesa de Tektronix, Inc.)Pgina 686 Adiferencia de una mquina sencilla de impresin de sello, esta mquina de impresin de for-masutiliza un controlador proporcional para regular su fuerza aplicada. ( Brownie Harris.)Pgina 740 El maquinado y pulido de estas ruedas se realiza bajo condiciones precisamente controladasde velocidad rotacional. (Cortesa de Railway Technical Research Institute of Japan.)Pgina 802 Estacin receptora de telemetra para satlites espaciales. (Cortesa de Tektronix, Inc.)Pgina 846 Los errores en el programa, software, de microcomputadoras se identifican utilizando un Ana-lizadorLgico, el cual proporciona un despliegue CRT de los cdigos de instruccin, o un des-plieguede grficas de formas de onda como un osciloscopio. (Cortesa de Tektronix, Inc.)Pgina 886 Robot de configuracin cilndrica. (Cortesa de Seiko Instruments USA. Inc.)Pgina 934 El fuego es uno de los riesgos de seguridad de los circuitos industriales. (Cortesa de la NASA.) 8. RESUMEN ixDE CONTENIDO1 El interruptor de transistor como un dispositivo para la tomade decisiones xx2 Interruptores de transistor en aplicaciones de memoria y conteo 343 Controladores lgicos programables 744 SCR 1605 UJT 1866 Triacs y otros tiristores 2187 Sistema automtico de soldadura industrial con control digital 2528 Amplificadores operacionales 2949 Sistemas de retroalimentacin y servomecanismos 34610 Dispositivos transductores de medicin de entrada 39811 Dispositivos de correccin final y amplificadores 47812 Motores de cd con rotor devanado 52813 Motores de cd no tradicionales 59614 Motores de ca 63215 Nueve ejemplos de sistemas industriales en lazo cerrado 68616 Sistemas de control de velocidad de motores 74017 Telemetra 80218 Control en lazo cerrado con una microcomputadora en lnea 84619 Robots industriales 88620 Seguridad 934Apndice A: Curvas de constante de tiempo universal 949Glosario 951ndice 963 9. xCONTTEENIIDO1 EL INTERRUPTOR DE TRANSISTOR COMO UNDISPOSITIVO PARA LA TOMA DE DECISIONES xxObjetivos 11-1 Sistemas que contienen circuitos lgicos 21-2 Circuitos lgicos utilizando relevadores magnticos 21-3 Circuito lgico de relevadores para un sistema transportador/clasificador 41-4 Lgica realizada por transistores 81-5 Compuertas lgicas los bloques constructores de la lgica de estadoslido 101-6 Circuito lgico de estado slido para el sistema transportador/clasificador 111-7 Dispositivos de entrada para la lgica de estado slido 141-8 Dispositivos de salida para lgica de estado slido 191-9 La lgica de estado slido en comparacin con la lgica derelevadores 211-10 Circuito lgico de estado slido para el ciclo de direccionamiento deuna mquina herramienta 221-11 Circuito lgico para un indicador de falla original 241-12 Circuito lgico para un ciclo de perforacin de una mquinaherramienta 27 SOLUCIN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIAExpansin del sistema de mquina herramienta de perforacin 29Resumen 30Preguntas y problemas 312 INTERRUPTORES DE TRANSISTOR ENAPLICACIONES DE MEMORIA Y CONTEO 34Objetivos 352-1 Circuito de control de soldadura utilizando flip-flops RS 36 10. CONTENIDO xi2-2 Mesa oscilante de maquinado que utiliza flip-flops RS con registrode tiempo 372-3 Flip-flops JK 402-4 Registros de corrimiento 402-5 Contadores 452-6 Decodificacin 462-7 Sistema de entarimado que utiliza contadores de dcada ydecodificadores 492-8 One-Shots 512-9 Relojes 532-10 Sistema de llenado automtico de tanques utilizando un relojy One-Shots 542-11 Contadores descendentes y codificadores 562-12 Temporizadores 592-13 Sistema de abastecimiento de un depsitoutilizando un contador descendente, un codificador ytemporizadores 66 SOLUCIN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIAExpansin del circuito de cepillado oscilante 69Resumen 70Frmula 70Preguntas y problemas 703 CONTROLADORES LGICOS PROGRAMABLES 74Objetivos 753-1 Las partes de un controlador lgico programable 763-2 Programacin de un PLC para controlar el sistema de transportacin/clasificacin 953-3 Programacin de funciones de temporizacin y conteo 1023-4 Aparato de maquinado que utiliza funciones de temporizaciny conteo 1083-5 Otras funciones PLC de tipo relevador 1143-6 Bifurcacin del programa y subrutinas 1243-7 Manejo de informacin de entrada analgica 1363-8 Perfeccionamiento del sistema de mquina de fresado hacindolosensible a la temperatura 148 SOLUCIN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIARefinacin de la respuesta a la temperatura del proceso de fresado 153Resumen 153Frmulas 155Preguntas y problemas 155 11. xii CONTENIDO4 SCR 160Objetivos 1614-1 Teora y operacin de los SCR 1624-2 Formas de onda SCR 1624-3 Caractersticas de compuerta de un SCR 1644-4 Circuitos tpicos de control de compuerta 1644-5 Otros circuitos de control de compuerta 1674-6 Mtodos alternativos de conexin de los SCR a cargas 1704-7 SCRS en circuitos CD 172 SOLUCIN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIAVehculos MagLev 175Resumen 181Frmula 181Preguntas y problemas 181Proyectos de laboratorio sugeridos 1825 UJT 186Objetivos 1875-1 Teora y operacin de los UJT 1885-2 Osciladores de relajacin UJT 1915-3 Circuitos temporizadores de UJT 1955-4 UJT en circuitos de disparo SCR 1985-5 El transistor monounin programable (PUTS) 206 SOLUCIN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIADisparo de SCR en un mdulo de control MagLev 210Resumen 212Frmulas 212Preguntas y problemas 212Proyectos de laboratorio sugeridos 2136 TRIACS Y OTROS TIRISTORES 218Objetivos 2196-1 Teora y operacin de los triacs 2206-2 Formas de onda del triac 2216-3 Caractersticas elctricas de los triacs 2226-4 Mtodos de disparo para triacs 2236-5 Interruptores bilaterales de silicio 2266-6 Dispositivos de rompimiento unilateral 231 12. CONTENIDO xiii6-7 Dispositivo de rompimiento (sus) utilizado para disparar un triac 2326-8 Proporcin crtica de elevacin del voltaje del estado apagado (dv/dt) 2346-9 UJTS como dispositivos de disparo para triacs 234 SOLUCIN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIAEliminacin de partculas de ceniza de una planta de generacin de energa elctricaalimentada con carbn 242Resumen 245Frmulas 245Preguntas y problemas 245Proyectos sugeridos de laboratorio 2477 SISTEMA AUTOMTICO DE SOLDADURAINDUSTRIAL CON CONTROL DIGITAL 252Objetivos 2537-1 Descripcin fsica del sistema de soldadura de rueda 2547-2 Secuencia de operaciones al soldar 2557-3 Diagrama de bloques del circuito de control de secuencia 2587-4 Descripcin detallada del circuito de inicio de secuencia y del circuito dedisparo de intervalo y canalizacin 2627-5 Descripcin detallada del circuito de avance de intervalo ydecodificador 2677-6 Circuito de programacin del contador de tiempo de intervalo 2717-7 Circuito de avance de calentamiento-enfriamiento y canalizacin 2767-8 Contador de calentamiento-enfriamiento y circuito de programacin delcontador de calentamiento-enfriamiento 2787-9 Circuito de activacin de soldadura 280 SOLUCIN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIAReelaboracin del diagrama esquemtico del circuito de activacin de soldaduracon subintervalos de calentamiento de polaridad alternante 290Resumen 290Preguntas y problemas 2918 AMPLIFICADORES OPERACIONALES 294Objetivos 2958-1 Ideas sobre el op amp 2968-2 Caractersticas de lazo cerrado amplificador inversor 2988-3 Amplificador no inversor 3028-4 El problema del desvo de salida 3058-5 Circuito sumador de op amp 3078-6 Comparador de voltaje 308 13. xiv CONTENIDO8-7 Operacin desde una alimentacin de energa de polaridad nica 3108-8 Amplificador diferencial de op amp 3108-9 Convertidor de voltaje a corriente de op amp 3128-10 Transmisin de seales por voltaje 3138-11 Blindaje 3248-12 Envo de seal mediante corriente en lugar de voltaje 3298-13 Integradores y diferenciadores de op amp 331 SOLUCIN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIASolucin de problemas en el circuito de procesamiento de seal de posicinde superficie lateral de MagLev 333Resumen 340Frmulas 341Preguntas y problemas 342Proyecto de laboratorio sugerido 3449 SISTEMAS DE RETROALIMENTACIN YSERVOMECANISMOS 346Objetivos 3479-1 Sistemas de lazo abierto versus sistemas de lazo cerrado 3489-2 Diagrama y nomenclatura del sistema de lazo cerrado 3519-3 Ejemplos de sistemas de control de lazo cerrado 3539-4 Modos de control en sistemas industriales de lazo cerrado 3579-5 Control encendido-apagado 3589-6 Control proporcional 3619-7 Control proporcional ms integral 3719-8 Control proporcional ms integral ms derivativo 3749-9 Respuesta del proceso 3789-10 Relaciones entre las caractersticas del proceso y los modos adecuadosde control 3849-11 Control de proceso PID con un controlador lgico programable 387 SOLUCIN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIAUtilizacin de un PLC para una variacin automatizada de las condiciones del procesoy recopilacin de informacin 392Resumen 393Preguntas y problemas 39410 DISPOSITIVOS TRANSDUCTORES DEMEDICIN DE ENTRADA 398Objetivos 39910-1 Potencimetros 40010-2 Transformadores diferenciales variables lineales (LVDTs) 405 14. CONTENIDO xv10-3 Transductores de presin 40610-4 Termoacopladores 40810-5 Termistores y detectores resistivos de temperatura (RTD) 41210-6 Otros transductores de temperatura 41510-7 Fotoceldas y dispositivos fotoelctricos 41610-8 Fibras pticas 43310-9 Ultrasnicos 43510-10 Deformmetros 43610-11 Acelermetros 43910-12 Tacmetros 44010-13 Transductores de efecto Hall 44310-14 Otros flujmetros 44710-15 Resolvedores 45410-16 Transductores de humedad 464 SOLUCIN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIASolucin de problemas con un osciloscopio de almacenamiento digitalmulticanal 468Resumen 471Frmulas 472Preguntas y problemas 47211 DISPOSITIVOS DE CORRECCIN FINALY AMPLIFICADORES 478Objetivos 48011-1 Vlvulas solenoide 48011-2 Vlvulas elctricas motorizadas de dos posiciones 48111-3 Vlvulas con motor elctrico de posicin proporcional 48311-4 Vlvulas electroneumticas 48411-5 Vlvulas electrohidrulicas 48711-6 Caractersticas de flujo de la vlvula 48911-7 Relevadores y contactores 49111-8 Tiristores 49511-9 Motores de ca de fase dividida 49611-10 Servomotores de ca 50111-11 Servoamplificadores de estado slido y de ca 50811-12 Servomotores de cd 51811-13 Amplificadores para servomotores de cd 520 SOLUCIN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIALocalizacin de fallas en un operador electroneumtico de vlvula 523Resumen 524Preguntas y problemas 524 15. xvi CONTENIDO12 MOTORES DE CD CON ROTOR DEVANADO 528Objetivos 52912-1 Tipos de motor 53012-2 Principios de la dnamo de rotor devanado 53112-3 Funcionamiento del motor de cd de rotor devanado 54912-4 Grficas caractersticas de los motores con configuracinen derivacin 56512-5 Caractersticas de los motores de cd configurados en serie 56812-6 Configuracin compuesta 57612-7 Interpolos 57712-8 Arranque, paro y reversa 578 SOLUCIN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIAEliminacin del azufre en una chimenea de central carboelctrica 586Resumen 591Frmulas 591Preguntas y problemas 59213 MOTORES DE CD NO TRADICIONALES 596Objetivos 59713-1 Motores convencionales de imn permanente 59813-2 Motores de imn permanente sin ncleo 59913-3 Motores de pasos 60213-4 Motores de cd sin escobillas 61913-5 Comparacin de los motores con conmutacin electrnica y losde escobillas 622 SOLUCIN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIAAprendizaje de un circuito complejo de pruebas para motores de pasos 626Resumen 628Frmulas 628Preguntas y problemas 62814 MOTORES DE CA 632Objetivos 63314-1 El campo rotatorio 63414-2 El rotor de jaula de ardilla 64014-3 Obtencin del desplazamiento de fase 64414-4 Caractersticas de operacin de los motores con jaula de ardilla 64914-5 Sistemas trifsicos de corriente alterna 65414-6 Motores trifsicos de induccin, de jaula de ardilla 66514-7 Caractersticas de los motores trifsicos 669 16. CONTENIDO xvii14-8 Operacin en arranque, reversa y en dos voltajes 673 SOLUCIN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIALocalizacin de fallas en un motor que se sobrecarga 679Resumen 680Frmulas 681Preguntas y problemas 68115 NUEVE EJEMPLOS DE SISTEMASINDUSTRIALES EN LAZO CERRADO 686Objetivos 68715-1 Control de la temperatura de aceite de templado con termistor 68815-2 Sistema de control de presin en modo proporcional 69115-3 Controlador proporcional ms integral para temperatura,con entrada de termopar 69715-4 Controlador de tensin de lmina 70415-5 Control de gua de borde para una bobinadora de lmina 70915-6 Sistema pesador automtico 71215-7 Controlador de dixido de carbono para un horno de cementacin 72115-8 Control de humedad relativa en un proceso de humectacin textil 73015-9 Controlador de humedad en una bodega 733 SOLUCIN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIALocalizacin de fallas en un circuito de control proporcionalcon amplificador operacional 737Resumen 737Preguntas y problemas 73716 SISTEMAS DE CONTROL DE VELOCIDADDE MOTORES 740Objetivos 74116-1 Motores de cd funcionamiento y caractersticas 74216-2 Control del voltaje y la corriente en la armadura con tiristor 74416-3 Sistema de control de media onda y una fase para la velocidadde un motor de cd en derivacin 74516-4 Otro sistema monofsico de control de velocidad 74716-5 Control reversible de velocidad 74816-6 Sistemas trifsicos de control para motores de cd 75016-7 Ejemplo de un sistema trifsico de control 75116-8 Control mediante modulacin por ancho de pulso 75316-9 El temporizador-oscilador tipo 555 75716-10 Inversores con frecuencia variable 770 17. xviii CONTENIDO16-11 Variacin del voltaje junto con la frecuencia 77716-12 Cicloconvertidores 782 SOLUCIN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIALocalizacin de fallas en un control de motor de cd, de gran potencia,basado en SCR 795Resumen 796Frmulas 797Preguntas y problemas 79717 TELEMETRA 802Objetivos 80317-1 Telemetra por modulacin por ancho de pulso 80417-2 Telemetra por modulacin de frecuencia de pulsos 80817-3 Telemetra multiplexada 81817-4 Radiotelemetra 82217-5 Telemetra digital 822 SOLUCIN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIAPrueba de un sistema de telemetra modulado por frecuencia 839Resumen 841Frmulas 842Preguntas y problemas 84218 CONTROL EN LAZO CERRADO CON UNAMICROCOMPUTADORA EN LNEA 846Objetivos 84718-1 Un sistema de transporte de lodo de carbn, controladocon microcomputadora 84818-2 El esquema de control del sistema 84818-3 Programacin de una microcomputadora 85018-4 El diagrama de flujo del programa 85118-5 La arquitectura de la microcomputadora 85318-6 Ejecucin de un programa 86118-7 El programa de control de lodo de carbn 864 SOLUCIN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIAUso de un analizador lgico para depurar errores 880Resumen 882Preguntas y problemas 883 18. CONTENIDO xix19 ROBOTS INDUSTRIALES 886Objetivos 88719-1 El concepto de robot 88819-2 Configuraciones mecnicas de los robots industriales 89019-3 Categoras de programas para robots industriales 89419-4 Programas de paro positivo 89619-5 Programas de punto a punto 90319-6 Programas de trayectoria continua 91319-7 Sujetadores mecnicos 91619-8 Sujetadores de vaco 91819-9 Sujetadores neumticos 92119-10 Sensores de proximidad 924 SOLUCIN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIAComprensin del mal funcionamiento de un robot 929Resumen 930Preguntas y problemas 93020 SEGURIDAD 934Objetivos 93520-1 Choque elctrico 93620-2 Conductores a tierra 93820-3 Interruptores por falla a tierra 94120-4 Administracin de auxilios a una vctima de choque elctrico 94320-5 Quemaduras 94320-6 Proteccin a ojos y cabeza 94420-7 Incendios 94520-8 Cdigos de color de OSHA 945Resumen 946Preguntas y problemas 947APNDICE A:CURVAS DE CONSTANTE DE TIEMPOUNIVERSAL 949GLOSARIO 951NDICE 963 19. C A P T U L O1 EL INTERRUPTOR DETRANSISTOR COMO UNDISPOSITIVO PARA LATOMA DE DECISIONES 20. En todo sistema industrial, los circuitos de control constantemente reciben y procesaninformacin sobre las condiciones del sistema. Tal informacin representa situacio-nestales como las posiciones mecnicas de las partes mviles; la velocidad de flujode los fluidos; las fuerzas ejercidas sobre distintos dispositivos sensores; las velocidades demovimientos, etctera. Los circuitos de control deben tomar toda esta informacin empricay combinarla con la entrada de operadores humanos, la cual por lo general tiene la forma deuna configuracin de un interruptor selector y/o de una perilla de potencimetro. Este tipode entrada del operador representa la respuesta deseada del sistema o, en otras palabras, losresultados de produccin esperados del sistema.Con base en la comparacin entre el sistema de informacin y la intervencin huma-na,los circuitos de control toman decisiones, las cuales, tendrn que ver con la subsiguienteaccin del sistema en s, como arrancar o detener un motor, acelerar o desacelerar un movi-mientomecnico, abrir o cerrar una vlvula de control o incluso, detener completamente elsistema debido a una condicin de inseguridad.Obviamente, no existe un razonamiento real en la toma de decisiones realizada por loscircuitos de control; estos circuitos solamente reflejan las ideas del diseador del circuito,quien previ todas las posibles condiciones de entrada y dise las respuestas adecuadas delcircuito. Sin embargo, debido a que los circuitos de control plasman las ideas del diseadordel circuito, con frecuencia se denominan circuitos de toma de decisiones, o de forma mscomn: circuitos lgicos.OBJETIVOSAl terminar este captulo, usted ser capaz de:1. Identificar las tres partes de un circuito de control industrial y describir la funcin generalde cada una de ellas.2. Describir la forma como pueden utilizarse los relevadores para tomar decisiones.3. Distinguir entre contactos de relevadores normalmente abiertos y normalmente cerrados.4. Describir con detalle la operacin de un sistema clasificador de partes utilizando la lgicade relevador.5. Describir con detalle la operacin de un sistema clasificador de partes utilizando la lgicadel estado slido.6. Nombrar y explicar la operacin de los distintos circuitos utilizados para el acondiciona-mientode seales de entrada en la lgica del estado slido.7. Explicar el propsito y operacin de los amplificadores de salida con lgica del estado slido.8. Analizar las ventajas y desventajas relativas de la lgica del estado slido y de la lgicade relevador.9. Describir con detalle la operacin de tres sistemas lgicos del estado slido de la vida real:un sistema de trayectoria de mquina herramienta, un aviso de primera falla y un sistemade mquina herramienta de perforacin. 1 21. 2 CAPTULO 1 EL INTERRUPTOR DE TRANSISTOR COMO UN DISPOSITIVO...1-1SISTEMAS QUE CONTIENEN CIRCUITOS LGICOSUn circuito de control elctrico para controlar un sistema industrial, puede dividirse en tres par-tesdiferentes. Estas partes o secciones son: (1) entrada, (2) lgica y (3) salida.La seccin de entrada, en ocasiones conocida como seccin de recoleccin de informa-cinen este libro, consiste de todos los dispositivos que proporcionan parmetros del operadorhumano y del sistema de informacin a los circuitos. Algunos de los dispositivos de entrada mscomunes son botones, interruptores de lmites mecnicos, interruptores de presin y fotoceldas.La seccin lgica, en ocasiones llamada seccin de toma de decisiones en este libro, esaquella parte del circuito que acta sobre la informacin proporcionada por la seccin de entra-da.Toma decisiones con base en la informacin recibida y enva rdenes a la seccin de salida.Los circuitos de la seccin lgica por lo general se construyen con relevadores magnticos, cir-cuitosde transistores discretos o circuitos de transistores integrados. Tambin pueden utilizarsedispositivos de fluidos para la lgica, pero son mucho menos comunes que los mtodos electro-magnticosy electrnicos. No se analizarn los dispositivos de fluidos. Las ideas esenciales delos circuitos lgicos son universales, sin importar los dispositivos reales que se utilicen paraconstruirlos.La seccin de salida, en ocasiones llamada seccin del dispositivo actuador en este libro,consiste de los dispositivos que toman las seales de salida de la seccin lgica y que convier-teno amplifican estas seales en una forma til. Los dispositivos actuadores ms comunes sonlas marchas y contactos de motor, bobinas de solenoide y focos indicadores.La relacin entre estas tres partes del circuito de control se ilustra en la figura 1-1.1-2CIRCUITOS LGICOS UTILIZANDO RELEVADORES MAGNTICOSDurante muchos aos, las funciones lgicas industriales fueron realizadas prcticamente de for-maexclusiva con relevadores operados de forma mecnica, y la lgica de relevadores todavadisfruta de una amplia popularidad en la actualidad. En este mtodo de construccin, se activala bobina de un relevador cuando el circuito que controla a la bobina se cierra al activar, cerrar,ciertos interruptores o contactos. La figura 1-2 muestra que un relevador A (RA) se activa si secierra el interruptor de lmite 1 (LS1) y el interruptor de presin 4 (PS4).El diseo del circuito en la figura 1-2 hace que el relevador A se active si se presenta unacierta combinacin de eventos en el sistema. La combinacin necesaria es el cierre de LS1 pormedio del aparato que opere a LS1, y, al mismo tiempo, el cierre de PS4 por cualquier lquidoPueden encontrarse fsicamenteremotos entre sEntrada(recoleccin de informacin)Configuracin de operacinLgicaPueden encontrarse en el mismogabinete o en ubicaciones distintas(toma de decisiones)Salida(dispositivos actuadores)Marchas de motoreselctricos, vlvulasolenoides para sistemashidrulicos o neumticos,cilindros, etcteraPor lo generalrelevadoresmagnticoso circuitosde estado slidoInformacin sobre lascondiciones en el sistema(ubicacin de dispositivosmecnicos, temperaturas,presiones, etctera)FIGURA 11La relacin entre las trespartes de un sistema decontrol industrial. 22. 1-2 CIRCUITOS LGICOS UTILIZANDO RELEVADORES MAGNTICOS 3Alimentacin(por lo general 115 V, 60 Hz)Contactos N.A.LS1 PS4Interruptormecnico de lmite Interruptorde presinRABobinade relevadorContacto N.A. del relevador AContacto N.C. del relevador AA otraparte delcircuitoA otra partedel circuitoRelevador Ao gas que afecte a PS4. Si ambos sucesos ocurren al mismo tiempo, el relevador A se activar.Los trminos levantar o energizar con frecuencia se utilizan para significar la activacin, y enocasiones sern utilizados en este libro.Si alguno o ambos interruptores estn abiertos, RA se desactivar. Los trminos descen-dero desenergizar se utilizan con frecuencia para denotar la desactivacin, estos trminos tam-binsern utilizados de forma ocasional en este libro.Si RA se encuentra desactivado, los contactos controlados por RA regresan a su estadonormal, es decir, los contactos normalmente cerrados (N.C.) se cierran y los contactos normal-menteabiertos (N.A.) se abren. Por otro lado, si RA est activado, todos los contactos asocia-doscon RA cambian de estado. Los contactos N.C. se abren y los contactos N.A. se cierran. Lafigura 1-2 slo muestra uno de cada tipo de contacto. Los relevadores industriales reales gene-ralmentetienen varios contactos de cada tipo (varios contactos N.C. y varios contactos N.A.).Aunque este circuito es muy simple, ilustra las dos ideas principales de los circuitos delgica de relevador y para tal caso, de todos los circuitos lgicos:1. Un resultado positivo (en este caso, la activacin del relevador) est condicionado porotros eventos individuales. Las condiciones exactas necesarias dependen de la forma comoestn conectados los contactos del interruptor de alimentacin. En la figura 1-2 tanto LS1como PS4 deben estar cerrados porque los contactos estn conectados en serie. Si los con-tactosestuvieran conectados en paralelo, cualquier interruptor que se encontrara cerradoactivara al relevador.2. Una vez que se presenta un resultado positivo, el resultado puede transferirse a otras partesdel circuito. De esta forma, puede transferir sus efectos a distintas partes a lo largo del cir-cuitode control. La figura 1-2 muestra a RA que tiene un contacto N.A. y un contacto N.C.con cada contacto afectando alguna otra parte en el circuito general. Por consiguiente, laaccin de RA se transferir a ambas partes del circuito.Analizando ms estas ideas respecto a la lgica de circuitos, la figura 1-3 muestra la for-macomo los contactos que alimentan a una bobina de relevador en ocasiones estn controladospor otros relevadores en lugar de interruptores mecnicos de lmite y otros interruptores inde-pendientes.En la figura 1-3, el interruptor de lmite se activa de forma mecnica cuando el ci-lindrohidrulico 3 se encuentra completamente extendido. El cilindro hidrulico 3 se ubica enalgn lugar dentro de la parte mecnica del sistema industrial y tiene algn tipo de leva conec-tadaa l para activar LS3. Cuando los contactos N.A. de LS3 se cierran, RB se activa. Aqu seFIGURA 12Un circuito lgico conrelevador en el que la bobinade relevador es controladapor dispositivos de entrada:un interruptor de lmite y uninterruptor de presin. 23. 4 CAPTULO 1 EL INTERRUPTOR DE TRANSISTOR COMO UN DISPOSITIVO...RBAlimentacinRFRGRHLS3 (cilindro hidrulico#3 est extendido)RB RCRB RD RERB RCREFIGURA 13Circuito de lgica derelevador en el que lasbobinas del relevadorson controladas por loscontactos de otrosrelevadores.ilustra la idea de expansin de la transferencia del efecto de la activacin de RB ya que stetiene tres contactos, cada uno de los cuales llega a una parte distinta del circuito. Por tanto, laexpansin de la accin de RB afecta otras tres partes del circuito, en este caso, RF, RG y RH.Esta idea de expansin con frecuencia se denomina como factor de carga de la salida (fan-out).Para apreciar la capacidad de toma de decisiones de tales circuitos, considere con deteni-mientoa RG. Imagine que RG tiene el control sobre una vlvula solenoide que puede dejar pasaro bloquear el flujo de agua a travs de cierto ducto. Por ello, el agua fluir si se cumplen las si-guientescondiciones:1. RB est activado.2. RD est activado.3. RE est desactivado.Ya hemos visto que RB est controlado por el cilindro hidrulico 3 mediante LS3. Losrelevadores RD y RE, aunque no descritos en la figura 1-3, representan condiciones en el siste-ma,intervenciones humanas, o una combinacin de ambas. Para concretar, imagine que RD seactivar si est disponible una presin de agua adecuada y que RE se activar si se detecta uncierto tipo de contaminacin en el agua.Lo que sucede aqu es que RG tomar una decisin sobre si permite o no el flujo del agua.Tomar esta decisin al considerar tres condiciones:1. RB (N.A.): El cilindro hidrulico debe estar extendido.2. RD (N.A.): Debe existir una presin adecuada en el sistema.3. RE (N.C.): El agua no debe estar contaminada.ste es un ejemplo muy sencillo de la forma como se utilizan los relevadores para cons-truirun circuito lgico.1-3CIRCUITO LGICO DE RELEVADORES PARA UN SISTEMATRANSPORTADOR/CLASIFICADORPara consolidar lo que hemos aprendido sobre los sistemas lgicos generales, consideremos lalgica para un sistema especfico. La distribucin se presenta de forma esquemtica en la figu-ra1-4(a).Partes manufacturadas de distintos tamaos y pesos llegan al transportador, desplazndo-sea la derecha. Un detector de altura mide la altura de cada parte y la clasifica como baja o al-ta,dependiendo de si la parte se encuentra por debajo o por arriba de cierta altura predefinida. 24. 1-3 CIRCUITO LGICO DE RELEVADORES PARA UN SISTEMA... 5Dispositivode deteccin dealtura (operadode formafotoelctrica)TransportadorDispositivoBaja/pesadaZona de desvo (vista superior)LS4 LS6Baja/pesada Alta/pesadaAsimismo, un dispositivo de medicin de peso las clasifica en ligeras o pesadas dependiendo desi se encuentra por arriba o por debajo de un cierto peso predefinido. Por tanto, cada parte pue-decolocarse en una de cuatro clasificaciones generales: (1) baja/ligera, (2) baja/pesada, (3) al-ta/ligera o (4) alta/pesada.Posteriormente, el sistema codifica mediante colores a cada parte, rocindole una franjade pintura del color adecuado. Despus de que se pint, la parte es clasificada en la canaleta dedescarga adecuada dependiendo de su clasificacin. Existen cuatro canaletas de descarga, unapara cada clasificacin. Este proceso de clasificacin se realiza teniendo una compuerta de des-voque se abre hacia afuera para dirigir la parte del transportador a la canaleta adecuada. Cadacanaleta tiene su propia compuerta.En referencia a la figura 1-4(a), vemos que el sistema est dividido en tres zonas.En la zona de medicin se mide la altura y el peso de la parte, en cuanto abandona la zo-nade medicin e ingresa a la zona de pintura, la parte activa a LS1, el cual es un interruptor delmite con una extensin de alambre que se denomina bigote de gato. Tales interruptores seutilizan cuando el cuerpo actuador no tiene una posicin repetible exacta; las partes que se des-plazanen una banda transportadora son un ejemplo de esto. La parte puede encontrarse despla-zadaal lado izquierdo o derecho del transportador. Para detectar el paso de una parte, elinterruptor detector debe ser capaz de responder ante un cuerpo situado en cualquier lugar so-breuna lnea a lo ancho del transportador.demedicinde pesoLS1Zonade desvoZonade pinturaZona de medicin(a)LS2 Baja/ligeraAlta/ligeraAlta/pesadaCompuertas de desvoInyectorde pinturaVerdeRojoAmarilloAzul(b)Alta/ligeraLS5Baja/ligeraLS3FIGURA 14(a) Distribucin fsica de unsistema transportador/clasificador. (b) Vista superiorde la zona de desvo, quemuestra las posiciones de lascuatro compuertas de desvoy los cuatro interruptoresde lmite para canaleta dedescarga. 25. 6 CAPTULO 1 EL INTERRUPTOR DE TRANSISTOR COMO UN DISPOSITIVO...A medida que la parte entra en la zona de pintura, se abre una de las cuatro vlvulas desolenoide de pintura, aplicando una franja de pintura cuando la parte se desplaza por debajode ella. Cuando la parte abandona la zona de pintura e ingresa a la zona de desvo, pulsa a LS2,otro interruptor de lmite de bigote de gato. En este momento, la vlvula de pintura se cierra yuna de las cuatro compuertas de desvo se abre hacia fuera. Cuando la parte toca la compuerta dedesvo, es desviada de la banda a la canaleta apropiada. La figura 1-4(b) indica la forma comola compuerta se abre para bloquear la ruta de la parte en movimiento. A medida que la parte sedesliza hacia una de las canaletas, pulsa el interruptor de lmite montado en sa canaleta; LS3,LS4, LS5 o LS6. En este momento, la compuerta de desvo regresa a su posicin normal, y el sis-temase encuentra listo para recibir otra parte en la zona de medicin.Las partes deben manejarse de tal forma que no pueda entrar una parte nueva a la zona demedicin hasta que la parte anterior haya dejado libre los interruptores de lmite de las canale-tas.Esto es debido a que el sistema debe mantener la clasificacin de altura/peso de una partehasta que esa parte haya despejado el sistema. Debe guardar la clasificacin porque debe man-tenerla compuerta abierta de desvo adecuada hasta que la parte haya abandonado la banda.La lgica de relevador para lograr la operacin se muestra en la figura 1-5. Ahora anali-zaremosla operacin de los circuitos lgicos. En la seccin 1-6 se presentar y se analizar uncircuito lgico equivalente de estado slido. De este modo, usted podr familiarizarse con un cir-cuitolgico prctico y completo que utiliza relevadores. Despus de obtener una comprensindel propio sistema, avanzaremos con el estudio del mismo sistema utilizando un mtodo msmoderno de construccin.Iniciaremos con la lnea 9 de la figura 1-5. El contacto RCLR* N.C. est cerrado en elmomento que una parte ingresa a la zona de medicin. Mientras una parte se encuentra en la zo-nade medicin, el detector de altura cierra su contacto si la parte es alta pero deja el contactoabierto si la parte es baja. Esto activar RTAL si la parte es alta o lo dejar inactivo si la parte esbaja. Si RTAL se activa, se bloquear a s mismo con el contacto RTAL N.A. en la lnea 10. Es-toes necesario ya que el contacto detector de altura regresar a la condicin N.A. despus deque la parte haya abandonado la zona de medicin, pero el sistema debe mantener la informa-cinsobre la altura hasta que la parte haya salido completamente.La operacin real del detector de altura no es importante para nosotros en este momento,ya que estamos concentrados en la lgica del sistema.El detector de peso en la lnea 11 realiza lo mismo. Si el peso de la parte est por encimadel peso predefinido, el contacto se cierra y activa a RHVY, que a su vez se bloquea con el con-tactoN.A. en la lnea 12. Si la parte se encuentra por debajo del peso predefinido, el contactodel detector de peso permanecer abierto, y RHVY permanecer inactivo.Los circuitos entre las lneas 13 y 16 activan el relevador adecuado para indicar la clasi-ficacinde la parte. Si la parte es baja, el contacto RTAL N.C. en la lnea 13 permanecer cerra-do,aplicando alimentacin al lado izquierdo de los dos contactos RHVY en las lneas 13 y 14.Luego, dependiendo de si la parte es ligera o pesada, se activar un RSL (baja/ligera) o RSH(baja/pesada).Se repite la misma configuracin de circuito en las lneas 15 y 16 a travs de un contactoN.A. de RTAL. Si la parte es alta, el contacto RTAL N.A. se cerrar, ocasionando que RTL (al-ta/ligera) se active si RHVY se desactiva o que RTH (alta/pesada) se active si RHVY se activa.Observe que nicamente uno de los cuatro relevadores, RSL, RSH, RTL o RTH puede activarsepara cualquier parte que se pruebe.*Los relevadores con frecuencia se nombran de acuerdo con la funcin que realizan dentro del circuito lgico. Elnombre de un relevador representa una abreviacin de su funcin. Un ejemplo es RCLR, donde las letras CLR sonla abreviacin en ingls de la palabra cleared (liberado). La R que lo precede y que se utiliza en todos los nom-bresde relevador es la abreviacin de relevador. Por lo general, una descripcin ms completa de la funcin delrelevador se escribe al lado de la bobina, como una ayuda para entender la operacin del circuito. Esta til prc-ticase sigue en la figura 1-5. 26. 1-3 CIRCUITO LGICO DE RELEVADORES PARA UN SISTEMA... 7(Ingreso a la zona de pintura)RPZLa parte seencuentra en lazona de pintura123 RDZ5 RCLRRTAL9 La parte es altaRHVY11 La parte es pesadaRSLLa parte es13 baja y ligera14 RSH15 RTL Alta y ligera16 RTH Alta y pesada17 Pintura azul18 Pintura amarilla19 Pintura roja20 Pintura verde21 Desviador B/L222324LS1RPZ RDZ(Ingreso a la zona de desvo)4LS2RDZ RCLRLS3LS4LS5LS6678RCLRDetector de alturaRTAL1012RHVYDetectorde pesoRTAL RHVYRHVYRTAL RHVYRHVYRPZ RSLRSHRTLRTHRDZ RSLRSHRTLRTHBaja/ligeraBaja/pesadaAlta/ligeraAlta/pesadaLa parte seencuentra en lazona de desvoLa parteest liberadaLa parte esbaja y pesadaDesviador B/PDesviador A/LDesviador A/PFIGURA 15Circuito de control para el sistema de transportacin/clasificacin con la lgica efectuada porrelevadores magnticos. 27. 8 CAPTULO 1 EL INTERRUPTOR DE TRANSISTOR COMO UN DISPOSITIVO...A medida que la parte abandona la zona de medicin y avanza bajo los cuatro inyectoresde pintura, pulsa LS1. Esto cierra momentneamente el contacto LS1 N.A. en la lnea 1, ocasio-nandoque RPZ se active y bloquee a travs de su propio contacto N.A. en la lnea 2. RPZ per-manecerbloqueado hasta que el contacto RDZ N.C. en la lnea 2 se abra. La parte ahora seencuentra en la zona de pintura, y el contacto RPZ N.A. en la lnea 17 est cerrado. Por ello, una delas vlvulas solenoides de pintura se activar, ocasionando que el color adecuado de pinturafluya a la parte en movimiento. Las vlvulas solenoides de pintura y sus contactos de controlaparecen en las lneas 17-20.A medida que la parte abandona la zona de pintura, pulsa LS2 y momentneamente cie-rrael contracto LS2 en la lnea 3. Esto activa RDZ, el cual se bloquea a travs del contacto RDZN.A. en la lnea 4. RDZ tambin rompe el bloqueo sobre RPZ cuando el contacto N.C. en lalnea 2 se abre, como se mencion antes. Abajo, en la lnea 21, el contacto RDZ N.A. se cierra,ocasionando con esto que una de las cuatro compuertas de desvo se abra sobre el transportador.Los cuatro solenoides que operan las cuatro compuertas de desvo se muestran en las lneas 21-24.Cuando la parte ha sido guiada fuera del transportador y hacia una de las canaletas, se cierrade manera momentnea uno de los cuatro interruptores de lmite de canaleta. Estos interrupto-resson LS3, LS4, LS5 y LS6, y estn conectados en paralelos en las lneas 5-8. Por esto, cuan-doalguno de ellos se cierra, RCLR momentneamente se activa. El contacto RCLR N.C. en lalnea 4 rompe el bloqueo sobre RDZ, indicando que la parte ha abandonado la zona de desvo.Adems, el contacto RCLR N.C. sobre la lnea 9 rompe el bloqueo sobre RTAL y RHVY si al-gunode ellos estaba bloqueado. La secuencia de operacin del sistema ahora est completa, yse encuentra lista para recibir una nueva parte en la zona de medicin.Se afirm en la seccin 1-1 que los circuitos de control se dividen en tres partes: entrada,lgica y salida. Los dispositivos en la figura 1-5 se clasifican como se muestra en la tabla 1-1.Recoleccin de informacin Toma de decisiones Dispositivos actuadores(Entrada) (Lgica) (Salida)LS1, LS2, LS3, LS4, LS5, Relevadores RPZ, RDZ, RCLR, Solenoides azul,LS6, detector de altura, RTAL, RHVY, RSL, RSH, amarillo, rojo y verde;dispositivo sensor de peso RTL, RTH y sus solenoides B/L,contactos asociados B/P, A/L y A/PTABLA 1-1Categoras de los dispositivosde la figura 1-5.1-4LGICA REALIZADA POR TRANSISTORESPodemos observar del anlisis anterior la forma como los circuitos de relevador toman decisio-nes.En trminos simples, cuando dos contactos se conectan en serie, la funcin del circuito sedenomina una funcin AND (Y) ya que el primer contacto y el segundo contacto deben cerrar-separa energizar la carga (activar el relevador). Cuando dos contactos estn conectados en pa-ralelo,la funcin del circuito es una funcin OR (O) ya que debe cerrarse el primero o elsegundo contacto para energizar la carga. Se ilustran en la figura 1-6, estas dos configuracionesbsicas de circuito de relevador, junto con dos circuitos de estado slido para implementar lasmismas funciones.En la lgica del estado slido, en lugar de contactos que se abren o que se cierran, las l-neasde entrada presentan un BAJO o un ALTO. En consecuencia, en los circuitos de estado s-lidode la figura 1-6, la lnea X que pasa a ALTO (llega a +5 V) es equivalente a cerrar el contactoRX en el circuito de relevador. La lnea X que pasa a BAJO (encontrndose en 0 V o potencial detierra) es equivalente a tener el contacto RX abierto. Lo mismo aplica para las lneas Y y Z.En cuanto al resultado del circuito, en un circuito de relevador el resultado se considerala activacin de la bobina de un relevador y la subsiguiente conmutacin de los contactos con-cap 28. 1-4 LGICA REALIZADA POR TRANSISTORES 9RWRELEVADORANDRX RY RZRWAlimentacinRWRXRYRZORRWXYZR1+5 VR2 R3WQ1 Q2(a)EQUIVALENTEDE ESTADO SLIDO+5 VR1 R2WQ1 Q2(b)XYZAlimentacinFIGURA 16(a) La funcin lgica AND (Y) realizada por circuitos de relevador y por circuitos de estado slido.(b) La funcin OR (O) realizada por circuitos de relevador y por circuitos de estado slido.trolados por ese relevador. En un circuito de estado slido, el resultado simplemente es la sali-dade la lnea que pasa a un estado ALTO.Con estas equivalencias en mente, estudie el circuito de la figura 1-6(a). Si alguna de lasentradas es BAJO (voltaje de tierra), el diodo conectado a esa entrada estar polarizado de for-madirecta. La corriente de polarizacin fluir de la alimentacin de +5 V, a travs de R1, a tra-vsdel diodo y fuera de la terminal del ctodo del diodo a la tierra. Si un diodo est polarizadode forma directa, su nodo no puede estar a un voltaje mayor de 0.7 Vpor encima del potencial delctodo. Por esto, el punto de unin del nodo en la figura 1-6(a) estar en +0.7 V relativo a tie-rrasi alguna de las entradas X, Y o Z es BAJO. Con slo +0.7 V en el punto de unin, Q1* esta-ren corte APAGADO, debido al diodo de sujetador en su terminal base. Por tanto, el colectorde Q1 entregar corriente a la base de Q2, encendindolo. Con Q2 saturado, su colector estaraproximadamente en 0 V, por lo que la salida del circuito es BAJO.Por otro lado, si todas las entradas X, Y y Z son ALTO +5 V, entonces el punto de unindel nodo no bajar a 0.7 V. Por esto, habr una trayectoria de flujo de corriente a travs de R1y hacia la base de Q1. Q1 se saturar, apagando a Q2 y permitiendo que la salida vaya a +5 V, unnivel ALTO. La accin del circuito de estado slido es equivalente a la accin del circuito rele-vadorde arriba de l. Todas las entradas deben estar presentes para obtener una salida.*Los transistores en los diagramas electrnicos pueden identificarse por la letra Q o por la letra T. UtilizaremosQ en la mayora de las situaciones. La letra T se utilizar solamente cuando Q se utilice para otros propsitos enel diagrama. 29. 10 CAPTULO 1 EL INTERRUPTOR DE TRANSISTOR COMO UN DISPOSITIVO...La figura 1-6(b) muestra la funcin OR. En el circuito, transistores, de estado slido, sialguna de las entradas pasa a ALTO, Q1 se encender (los resistores son los adecuados para per-mitiresto), y su colector se llevar a tierra. Por esto, no fluir corriente de base en Q2, y seapagar, permitiendo que la salida W, llegue a nivel ALTO. Nuevamente, la accin del circuito,transistores, de estado slido duplica la del circuito relevador de arriba. Si alguna de las entra-dasest presente, se generar una salida.Para ambos, el circuito relevador OR y el circuito de estado slido OR, si se eliminan to-daslas entradas (todos los contactos abiertos en el circuito de relevador, todas las entradas enBAJO en el circuito de estado slido), el circuito no producir una salida. Es decir, el circuitorelevador no podr energizar al relevador W, y el circuito de estado slido ocasionar que sepresente una salida BAJO en la salida W.1-5COMPUERTAS LGICAS LOS BLOQUES CONSTRUCTORESEn la seccin 1-4 mostramos que los circuitos de estado slido pueden desempear funciones l-gicas.Sera engorroso y confuso mostrar a cada transistor, diodo y resistor en un diagrama lgi-code estado slido. En lugar de ello, se inventaron smbolos que representan la funcin lgicaque desempean los circuitos individuales. Luego se construyen circuitos lgicos complejos alconectar mltiples circuitos lgicos individuales, como el circuito AND de la figura 1-6(a).De esta forma, los circuitos digitales bsicos constituyen los bloques de construccin de uncircuito lgico ms amplio, teniendo cada bloque de construccin un smbolo especial que lo identi-fica.Estos bloques por lo general se denominan compuertas lgicas, o simplemente compuertas.Repase su libro de texto sobre circuitos digitales para asegurarse que tiene un firme en-tendimientode cada una de las cinco compuertas lgicas bsicas: AND (Y), OR (O), NOT(NO), NAND (NO-Y) y NOR (NO-O). Cuando se le presente un diagrama de smbolos concualquiera de estas cinco compuertas, usted debe ser capaz de identificar rpidamente la salidaque se tendr para una combinacin de entradas dada. La figura 1-7 muestra los smbolos de lascinco compuertas bsicas.Tambin revise los siguientes temas respecto a compuertas lgicas:1. Las ventajas de las compuertas inversoras sobre las compuertas no inversoras (mayor velo-cidadde operacin, menor consumo de energa, menor cantidad de transistores en el, cir-cuitointegrado, CI).2. Familias lgicas de disipacin de corriente en comparacin con familias que suministran3. Factor de carga de la salida (fan-out) de distintas familias lgicas: la idea de que el excederla especificacin del factor de carga de la salida para una familia de disipacin de corrienteAND ORNOTNAND NORDE LA LGICA DE ESTADO SLIDOcorriente.FIGURA 17Smbolos esquemticos de lascinco compuertas lgicasbsicas. Una compuerta NOTpor lo general se denominacomo inversor. 30. 1-6 CIRCUITO LGICO DE ESTADO SLIDO PARA EL SISTEMA... 11arriesga el nivel de salida BAJO, mientras que exceder la misma especificacin para unafamilia de suministro de corriente arriesga el nivel de salida ALTO.4. Conexin en AND de las salidas de compuertas; la idea de que la conexin en AND de las sali-das,por lo general es permitida si el transistor de salida tiene un resistor de colector de alto valor,pero que no es permitida para circuitos de salida tipo totem, incluyendo CMOS.5. Entradas flotantes (sin conexin): la idea de que las entradas flotantes se interpretan comoBAJO por las familias de suministro de corriente, pero que son interpretadas como ALTOpor las familias de disipacin de corriente, el riesgo de ruido asociado con cualquier entra-dasin conexin, y la prohibicin de entradas sin conexin para todos los transistores MOS.6. Encapsulados de CIs e identificacin de terminales (doble en lnea, encapsulado plano, ometlico).7. Inmunidad relativa al ruido, velocidad de operacin (retardo de propagacin), consumo deenerga y densidad de fabricacin de distintas familias lgicas.8. Lgica positiva (nivel de voltaje ms positivo = 1, nivel menos positivo = 0) versus lgicanegativa.1-6CIRCUITO LGICO DE ESTADO SLIDO PARAEL SISTEMA TRANSPORTADOR/CLASIFICADORAhora se presentar y analizar una versin de estado slido de la lgica para controlar el siste-made clasificacin de la figura 1-4.En la figura 1-8 el nivel lgico ALTO es +5 V. A medida que la parte avanza a travs dela zona de medicin, los detectores de peso y altura cierran sus contactos si la altura y/o el pesose encuentran por encima de los valores predefinidos. Concentrndonos en el detector de altu-ra,si el contacto cierra, se aplicar un ALTO a la entrada 1 de OR3. Esto ocasiona un ALTO enla salida de OR3, la cual es alimentada a la entrada 1 de AND3. Esto ocasiona que OR3 se blo-quee,de la misma forma que un relevador se bloquea. Esto sucede debido a que la entrada 2 deAND3 tambin se encuentra en ALTO en este momento, ocasionando que AND3 se habilite (lasalida pasa a ALTO), lo que coloca un ALTO en entrada 2 de OR3. En esta configuracin de cir-cuito,OR3 se encuentra bloqueado incluso despus de que la parte abandone la zona de pruebay el contacto de peso regresa a su posicin abierta. La nica forma de romper el bloqueo de OR3es eliminando el ALTO en la entrada 2 de AND3.Se coment antes que la entrada 2 de AND3 es ALTO mientras la parte se encuentra en lazona de medicin. Esto es as debido a la situacin en I2, que alimenta la entrada 2 de AND3.La entrada de I2 recibe informacin de los interruptores de lmite LS3-LS6, conectados en para-lelo.Ya que los cuatro interruptores de lmite se liberan cuando la parte se encuentra en la zona demedicin, no existe una entrada de +5 V aplicada a I2 en este momento. Tampoco existe una se-alde 0 V aplicada a la entrada I2. Sin embargo, la presencia del resistor de 1 k conectado entrela entrada y tierra ocasiona que el inversor trate esta situacin como si fuera una entrada BAJA.En consecuencia, con la entrada I2 en BAJO, la salida se invierte a ALTO, lo cual aplicael ALTO a AND3. La salida de OR3 se mantendr ALTO hasta que la parte active uno de los in-terruptoresde lmite de canaleta. En se momento, la salida de I2 pasar a BAJO, inhabilitandoa AND3 quitando la entrada ALTO de OR3. Esto romper el bloqueo y permitir que la salidaOR3 regrese a su estado BAJO.Todo este anlisis supone que el contacto del detector de altura realmente se cerr, lo queindica que la parte era de tamao alto. Naturalmente, si la parte fuera de tamao bajo, el contac-tono se habra cerrado, y OR3 permanecera apagado durante el ciclo.La nota sobre la lnea de salida de OR3 describe el significado de esa lnea cuando llega aALTO. De este modo, si la salida de OR3 es ALTO, podemos concluir que la parte es de tamaoalto. Por el otro lado, si la salida de OR3 es BAJO, la salida de I3 pasar a ALTO, lo que significaque la parte es de tamao bajo. La nota sobre la lnea de salida de I3 transmite este significado. 31. 12 CAPTULO 1 EL INTERRUPTOR DE TRANSISTOR COMO UN DISPOSITIVO...12 OR2En zonade desvo+5 V LS212AND2En zona de pintura12 OR1+5 V LS112AND1I1+5 V LS3LS4LS5LS6I21 k12 OR312AND3Detect.Lapartees alta+5 V altura I3Laparte esbajaDetect.peso I412 OR412AND4Laparte espesadaLaparte esligera12AND512AND612AND712AND8Baja/ligeraBaja/pesadaAlta/ligeraEn zona de pinturaEn zona de desvoAlta/pesadaBajaAltaLigeraPesadaCompuertas declasificacinCompuertas decontrol de pintura12AND9 Azul12AND10 Amarillo12Rojo1 Verde2Vlvulas solenoidesde pinturaAND11AND12Compuertas decontrol de desvo12Desvo B/L12AND13AND141212Vlvulassolenoides de desvoAND15AND16Desvo B/PDesvo A/LDesvo A/PFIGURA 18Circuito de controlpara el sistematransportador/clasificador dela figura 1-4, con la lgicarealizada por compuertaslgicas de estado slido. 32. 1-6 CIRCUITO LGICO DE ESTADO SLIDO PARA EL SISTEMA... 13El circuito de determinacin de peso, compuesto por el detector de peso, OR4, AND4 eI4, es un duplicado exacto del circuito de determinacin de altura. Recorra la operacin de es-tascompuertas para asegurarse que comprende su funcionamiento.Las compuertas AND 5-8 pueden ser consideradas las compuertas de clasificacin. Lasseales de entrada a este grupo de compuertas provienen de las salidas de los circuitos de detec-cinde peso y altura. Cada una de las compuertas AND tiene dos entradas que representan una cier-tacombinacin de resultado de altura y peso. Por ejemplo, las dos lneas de entrada de AND5son dos lneas que indican que (1) la parte es de tamao bajo y (2) la parte es de peso ligero. Poresto si la parte es baja y ligera, se habilitar AND5. Si la parte es baja y pesada, se activarAND6, y as sucesivamente.Las salidas de las compuertas de clasificacin AND alimentan otros dos grupos de com-puertasAND. Primero, alimentan las compuertas AND 9, 10, 11 y 12, las cuales controlan lasvlvulas solenoide de pintura. Segundo, alimentan las compuertas AND 13, 14, 15 y 16, las cua-lescontrolan los dispositivos desviadores.Las compuertas AND 9, 10, 11 y 12 tienen la entrada 1 en comn entre ellas. La entrada 1de todas estas compuertas de control de pintura es accionada por la lnea marcada en zona depintura. Esto significa que cuando la parte ingresa a la zona de pintura todas la entradas 1 de lascompuertas 9-12 pasarn a ALTO. Luego, dependiendo de la compuerta de clasificacin que seactive, se habilitar una de las cuatro compuertas de control de pintura. Esto a su vez activar lavlvula de solenoide adecuada. Por ejemplo, si la compuerta de clasificacin alto/ligero se activa(AND7), enviar un ALTO a la entrada 2 de AND11. Cuando la parte ingrese a la zona de pin-tura,y la lnea de En zona de pintura pase a ALTO, AND11 se habilitar. Esto activar la vlvu-lasolenoide de pintura roja. La vlvula solenoide permanecer activada hasta que la lnea de enzona de pintura regrese a BAJO, inhabilitando AND11.Las compuertas de control de desvo, AND 13, 14, 15 y 16, funcionan de la misma for-ma.Sus entradas 1 estn conectadas en paralelo y son activadas por la lnea de en zona de des-vo.Cuando esta lnea pasa a ALTO, una de las cuatro compuertas de control de desvo seactivar, lo que habilitar la vlvula solenoide de desvo adecuado. Por ejemplo, si la compuertade clasificacin alto/ligero (AND7) se enciende, aplicar un ALTO a la entrada 2 de AND15.Cuando la lnea de En zona de desvo pasa a ALTO, enviar un ALTO en la entrada 1 de AND15. Lasalida de AND15 entonces pasar a ALTO, activando el solenoide de desvo alto/ligero y oca-sionandoque el dispositivo de desvo alto/ligero en la figura 1-4(b) se abra hacia fuera del trans-portador.El solenoide de desvo permanecer activado hasta que la lnea de en la zona dedesvo regrese a BAJO, inhabilitando a AND15.Los circuitos en la parte superior de la figura 1-8 proporcionan las seales que indican laubicacin de la parte a medida que avanza en el transportador, particularmente las seales de enzona de pintura y en zona de desvo.A medida que una parte ingresa en la zona de pintura activa LS1, el cual aplica un ALTOde +5 V a la entrada 1 de OR1. La salida de OR1 se vuelve ALTO y se bloquea as mismo al re-troalimentara AND1. Por esto, mientras la entrada 2 de AND1 sea ALTO, la compuerta ANDpermanecer activada y OR1 permanecer encendido en virtud de su entrada 2. Como se mues-traen el diagrama, la salida OR1 no es otra que la lnea de en zona de pintura.Cuando la parte abandona la zona de pintura e ingresa a la zona de desvo, se activa LS2.Esto aplica un ALTO a la entrada 1 de OR2, lo que ocasiona que la salida de OR2 pase a ALTO.La salida de OR2 realiza varias funciones. Primero, enva un ALTO a la entrada de I1, lo queocasiona un BAJO en la entrada 2 de AND1. Esto inhabilita AND1 y rompe el bloqueo sobreOR1. La lnea de en zona de pintura regresa a BAJO, y la vlvula solenoide de pintura se apa-ga.Segundo, la salida de OR2 alimenta a AND2. Ya que la entrada 2 de AND2 tambin est enALTO en este momento, AND2 se enciente y bloquea a OR2. Tercero, la salida de OR2 es la se-ade en zona de desvo, que llega hasta la parte inferior de la figura 1-8 y activa las compuer-tasde control de desvo, de la forma ya mencionada.Cuando la parte es guiada fuera de la banda hacia una canaleta, uno de los interruptoresde lmite de canaleta se activar, aplicando un ALTO a I2. La salida de I2 pasar a BAJO y apli-cap 33. 14 CAPTULO 1 EL INTERRUPTOR DE TRANSISTOR COMO UN DISPOSITIVO...SWR1 7R2.+ EntradaVcd Rdelosciloscopiot1 t2V(a) (b)tFIGURA 19El problema del rebote decontactos.car seales BAJO a AND2, AND3 y AND4. El BAJO sobre AND2 romper el bloqueo sobreOR2, permitiendo que la seal de En zona de desvo regrese a BAJO. El dispositivo de desvoque se haya abierto regresar a su posicin normal. Las seales de BAJO en AND3 y AND4 in-habilitarntales compuertas, aplicando seales de BAJO a las entradas nmero 2 de OR3 y OR 4.Esto rompe el bloqueo sobre OR3 y OR4, si estuvieran bloqueados. Por tanto, los circuitos dealtura y peso se reinician y se preparan para medir la parte siguiente sobre el transportador.1-7DISPOSITIVOS DE ENTRADA PARA LA LGICA DE ESTADO SLIDOEl circuito de la figura 1-8 muestra conexiones de interruptor directo entre el voltaje de alimentacinlgico ALTO y las entradas de compuerta. Por ejemplo, LS1 realiza una conexin directa entre la l-neade alimentacin de cd de +5 Vy la entrada 1 de OR1. Mientras que este arreglo de interruptor estericamente aceptable, existen algunos motivos prcticos por lo que esto resulta una mala idea.El principal motivo es que los interruptores mecnicos nunca realizan un cierre de contactoslimpio. Las superficies de contacto siempre rebotan entre s varias veces antes de realizar uncierre permanente. Este fenmeno se denomina rebote de contactos y se ilustra en la figura 1-9.En la figura 1-9(a), cuando el interruptor mecnico se cierra para conectar el resistor R atravs de la fuente de cd V, la forma de onda del voltaje a travs de R se ver como en la figura1-9(b). El tiempo transcurrido entre el contacto inicial y el cierre permanente (t2t1 en la for-made onda) es por lo regular muy corto, en el orden de algunos milisegundos o menos. Aunqueel rebote es muy rpido, las compuertas lgicas responden muy rpido, por lo que es posible queuna compuerta se encienda y apague cada vez que se presente el rebote. El encendido y apaga-doinjustificado puede ocasionar serios malfuncionamientos en el circuito lgico.1-7-1 Filtros de conmutacin capacitivaLa solucin a este problema es instalar algn tipo de dispositivo de filtro entre el interruptor yla compuerta lgica. El dispositivo de filtro deber tomar la entrada con rebote y convertirla enuna salida plana. En la figura 1-10(a) se muestra un mtodo directo para realizar esto.Cuando se cierra el interruptor de lmite, el capacitor C comenzar a cargarse a travs dela resistencia de Thevenin de Ya que los contactos del interruptor de lmite se mantienencerrados slo durante un tiempo muy corto en el primer rebote, la acumulacin de carga sobreC no ser lo suficientemente grande para afectar la entrada de compuerta. Lo mismo sucederpara todos los subsiguientes rebotes (el interruptor nunca se mantiene cerrado lo suficiente pa-raaccionar la compuerta debido a la necesidad de cargar a C. Cuando finalmente se presenta elcierre permanente, C podr cargarse hasta el voltaje de umbral de la compuerta y activarla. Elfiltro de la figura 1-10(a) tambin funciona para rechazar seales de ruido de fuentes externas.Es decir, si se presenta un pulso de ruido de alta velocidad en la terminal que proviene del inte-rruptor,ser rechazada por el filtro pasa-bajos y no se presentar en la entrada de la compuerta.Naturalmente, cuando el capacitor se cargue, no podr cargarse hasta el nivel completo devoltaje de alimentacin, nicamente podr cargarse hasta el voltaje de Thevenin del divisor de vol-tajeR1-R2. Esto por lo general no es un problema, ya que las compuertas de estado slido operande forma confiable con un voltaje de entrada menor al voltaje completo de alimentacin. 34. 1-7 DISPOSITIVOS DE ENTRADA PARA LA LGICA DE ESTADO SLIDO 15Entradadel filtro(a)R1R2 C+5 VSalidadel filtro(b)Salidafinal+5 V 1R22R112NOR1 INOR2Interruptorde entradaFIGURA 110(a) Filtro de interruptor RCpara eliminar los efectosde rebote de contacto(b) Eliminador de reboteconstruido con compuertasde estado slido.1-7-2 Eliminadores de rebotesOtro mtodo para eliminar el rebote del contacto se muestra en la figura 1-10(b). Este mtododifiere del presentado en la figura 1-10(a) en que se dispara en el primer rebote de contacto enlugar de esperar al cierre final. Despus de que se enciende, ignorar los subsiguientes rebotes.Una desventaja de este circuito es que requiere un interruptor de doble tiro en lugar de un solocontacto N.A. As es como funciona.Con el interruptor de lmite liberado, el contacto N.C. se cierra y se aplica un nivel ALTOa R2 y a la entrada 2 de NOR2. La salida de NOR2 ser por tanto BAJO, ocasionando que la en-trada2 de NOR1 sea BAJO. La entrada 1 de NOR1 es tambin BAJO debido a que R1 la llevaa tierra. Con ambas entradas de NOR1 en BAJO, su salida ser ALTO; el inversor I entonces ge-nerala salida final BAJO.Durante el proceso de conmutacin, sta es la secuencia de eventos:1. El contacto N.C. se abre primero (abre antes de conmutar), lo que ocasiona que la entradanmero 2 de NOR2 pase a BAJO. NOR2 no cambia de estado ya que su entrada nmero 1sigue en ALTO. 35. 16 CAPTULO 1 EL INTERRUPTOR DE TRANSISTOR COMO UN DISPOSITIVO...2. El contacto N.A. se cierra momentneamente en el primer cierre del contacto. Esto enva unALTO temporal a la entrada 1 de NOR1, lo que provoca que su salida pase a BAJO. El inver-sorentrega la salida final ALTO. La salida NOR1 alimenta la entrada 1 de NOR2, por lo queNOR2 ahora tiene dos entradas BAJO. Su salida por tanto pasar a ALTO, aplicando con estoun ALTO a la entrada 2 de NOR1, el cual tendr dos entradas ALTO en este momento.3. El contacto N.A. se abre por el rebote. Esto ocasionar un BAJO en la entrada 1 de NOR1,pero la entrada 2 mantendr su nivel ALTO. Por consecuencia, NOR1 no cambia de estado,y la salida final permanecer en ALTO.4. Se presentarn varios rebotes ms, cada uno de ellos cambiar el nivel lgico de la entrada 1de NOR1. Sin embargo, ya que el contacto del interruptor de lmite N.C. permanece abierto,persistir un ALTO en la entrada 2 de NOR1, manteniendo estable a NOR1.Cuando el interruptor de lmite se libere tiempo despus, el eliminador de rebotes reali-zarlo mismo pero de forma inversa, ocasionando una transicin sin oscilaciones al nivel BAJOen la salida final. Usted deber seguir la operacin del circuito cuando esto sucede.1-7-3 Convertidores de sealEl filtro capacitivo y el eliminador de rebotes que hemos analizado, suponen que el dispositivode entrada conmuta un nivel lgico de voltaje (+5 V en la figura 1-10). Ya que prcticamentetodas las compuertas lgicas industriales utilizan un voltaje de alimentacin de 20 V o menor, losdispositivos de entrada debern operar de forma confiable bajo condiciones relativas de bajovoltaje y corriente, con el objetivo de permitir una conmutacin directa de este tipo. Esto enocasiones es posible, sin embargo, existen muchas situaciones en las que no lo es. En ocasioneslos dispositivos que recopilan la informacin no pueden ofrecer una operacin confiable bajocondiciones de bajo voltaje.Existen dos razones principales para esta falta de confiabilidad. Primero, los dispositivosde entrada pueden encontrarse fsicamente remotos respecto a la lgica de toma de decisiones.Por ello, el cable que corre entre los dispositivos de entrada y los circuitos lgicos ser largo ynecesariamente tendr una mayor resistencia que si fuera ms corto. Una mayor resistencia oca-sionauna mayor cada de voltaje IR en los cables. Si el voltaje inicial ya es pequeo, no se pue-dentolerar cadas grandes de voltaje IR en los cables ya que la lgica podra confundir un nivelALTO con uno BAJO. Es mejor iniciar con un voltaje mayor de forma que el sistema pueda so-portaruna cierta prdida de voltaje en los cables de conexin.Segundo, las superficies de contacto de los dispositivos de entrada tienden a acumularpartculas en suspensin y restos; tambin se pueden formar xidos y otros recubrimientos qu-micosen las superficies. Esto ocasiona que la resistencia del contacto se incremente, volviendoimposible en ocasiones que un voltaje pequeo supere la resistencia. Se requiere un nivel de al-tovoltaje para asegurar que la mayor resistencia pueda superarse.Adicionalmente, el mismo acto de conmutar un voltaje alto genera arcos entre los doscontactos. Estos arcos consumen los xidos y los residuos, y mantienen las superficies limpias.Por todo esto, bajo muchas circunstancias industriales, resulta absolutamente necesarioutilizar altos voltajes para activar los dispositivos de entrada. Cuando esto se hace, debe existirun dispositivo de interfase aadido para convertir la seal de entrada de alto voltaje a una seallgica de bajo voltaje. Tales dispositivos se denominan como convertidores de seales, inter-fasesde entrada lgica y con otros nombres. Utilizaremos el trmino convertidor de seal en es-telibro. En la figura 1-11(a) se presenta un smbolo esquemtico de un convertidor de seal. En lafigura 1-11(b) se presenta un diagrama esquemtico que contiene tres convertidores de seal.En la mayora de los diagramas esquemticos industriales, los convertidores de seal sedibujan con dos cables como se muestra en la figura 1-11(b), aunque un convertidor real de se-alespor lo regular tiene cuatro cables conectados a l. La representacin esquemtica es sim-pley ordenada, sin embargo, sugiere la accin de un convertidor de seales, particularmente, queun 1 lgico de bajo voltaje se presenta en la salida cuando una seal de entrada de alto voltajese aplica por el cierre del contacto del dispositivo de entrada. 36. 1-7 DISPOSITIVOS DE ENTRADA PARA LA LGICA DE ESTADO SLIDO 17(a)Convertidoresde sealCompuertaslgicas115 V caEntrada dealto voltajeSalida debajo voltaje(b)FIGURA 111Convertidores de sealpara convertir seales deentrada de alto voltajea seales lgicas de bajovoltaje.La figura 1-12 muestra la construccin interna de dos convertidores de seal tpicos paraconvertir una entrada de 115 V ca a un nivel lgico de +5 V cd.La figura 1-12(a) es una fuente comn de alimentacin de onda completa con un transfor-madorde derivacin central. El dispositivo de entrada entrega 115 V ca al devanado primario,y los circuitos rectificador y de filtro convierten el voltaje secundario a 5 V cd. Observe que es-tetipo de convertidor de seal tiene cuatro conexiones incluso aunque el smbolo esquemticose dibuja con slo dos conexiones.Este convertidor de seal proporciona un aislamiento elctrico entre los circuitos de en-tradade alto voltaje y los circuitos lgicos de bajo voltaje en virtud del acoplamiento magnti-coentre los devanados del transformador.El aislamiento elctrico entre los dos circuitos es deseable ya que tiende a evitar el ruidoelectromagntico o electroesttico generado por el circuito de entrada al pasar al circuito lgi-co.En un sistema lgico industrial, la captacin de ruido en el circuito dispositivo de entrada es confrecuencia un problema. Esto se debe a los largos cables que van del panel lgico a los disposi-tivosde entrada y a la tendencia a transportar los cables en conductos donde se extienden juntoa cables de energa. Los cables de energa que activan motores e interruptores son de naturale-zaruidosos y fcilmente pueden inducir ruido elctrico no deseado en los cables de conexinentre los dispositivos de entrada y los lgicos.El convertidor de seales presentado en la figura 1-12(b) utiliza un relevador de lminas.La salida del puente de onda completa activa la bobina del relevador, y los contactos de releva-dorcambian el voltaje de suministro lgico a la lnea de salida del convertidor de seal. El cir-cuitolgico se encuentra aislado del circuito de entrada mediante el relevador. Esto tipo deconvertidor de seal no produce su propio voltaje de seal lgica sino que debe obtener la ali-mentacinlgica de una fuente externa. Por ello, tiene cinco conexiones. Podra dibujarse deforma esquemtica como se muestra en la figura 1-11(b). 37. 18 CAPTULO 1 EL INTERRUPTOR DE TRANSISTOR COMO UN DISPOSITIVO...Dispositivode entrada15 V ca8 V CT+50 F 1 kSalidaA tierralgica(a)+5 V cdDispositivode entrada115 V ca1 F RRRRSalidaATierralgica(b)Relevadorde lminasFIGURA 112(a) Convertidor de salida,que utiliza un transformadorpara aislar el circuito lgicodel circuito de entrada.(b) Convertidor de seal,que utiliza un relevador delminas para aislar el circuitolgico del circuito deentrada.Los dos convertidores de seal de la figura 1-12 contienen capacitores que sirven para fil-trarel ruido de alta frecuencia y el rebote de conmutacin. Por esto, generalmente no necesitanningn otro circuito de filtrado o eliminador de rebotes conectado a sus salidas.Puede conectarse un indicador luminoso al convertidor de seales como se muestra conlas lneas punteadas de la figura 1-12(b). Esto funciona como un apoyo para la solucin de pro-blemaspara el personal de mantenimiento. Puede observarse la condicin de la entrada rpida-mente;no es necesario aplicar un voltmetro para conocer el estado de la entrada.De forma ocasional, los dispositivos de entrada en un sistema industrial son activados por unafuente de alto voltaje cd en lugar de los 115 V ca comunes. Un voltaje dc grande, crea un mayorarco a travs de los contactos de conmutacin que un voltaje ca equivalente. Por ello, un volta-jecd es an ms eficiente para consumir los depsitos y residuos que se adhieren a las superfi-ciesde contacto. Para tales casos, se utiliza un convertidor de seales cd a cd. El circuito de lafigura 1-12(b) funcionara en una aplicacin de se tipo.En aos recientes, se han popularizado los convertidores de seal de acoplamiento pti-co.Esta popularidad se debe a su bajo peso, excelente confiabilidad y bajo costo. No quieren untransformador o relevador para un aislamiento elctrico entre los circuitos de entrada y lgicos,y su capacidad de aislamiento es muy buena. Estos dispositivos se analizarn cuando se revisenlos dispositivos fotoelctricos en el captulo 10. 38. 1-8 DISPOSITIVOS DE SALIDA PARA LGICA DE ESTADO SLIDO 191-8DISPOSITIVOS DE SALIDA PARA LGICA DE ESTADO SLIDOEl diagrama de lgica de estado slido del sistema transportador/clasificador (figura 1-8) mues-traque las vlvulas solenoides de pintura y los solenoides de las compuertas de desvo son ac-tivadosdirectamente por compuertas AND. Aunque es posible activar dispositivos actuadores(solenoides, marchas de motor, etctera) directamente desde compuertas lgicas, sta no es laprctica comn. En lugar de ello, se inserta un amplificador de salida entre el circuito lgicoy el dispositivo actuador. El propsito del amplificador de salida es incrementar la alimentacinde bajo voltaje/corriente a una alimentacin de salida de mayor voltaje/corriente.El smbolo para un amplificador de salida (en ocasiones llamado manejador o bfer) semuestra en la figura 1-13(a). Los amplif


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