electronica digital

ELECTRNICA DIGITAL. IPN ESIMECU/ D. QUINTERO M. 0

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica

UNIDAD PROFESIONAL CULHUACAN

ELECTRNICA DIGITAL

APLICADA APUNTES

Profesor: M. en C. Donaciano Quintero Meja

6 SEMESTRE DE INGENIERA MECNICA


CARRERA: Ingeniera Mecnica. ASIGNATURA: Electrnica Digital Aplicada SEMESTRE: Sexto.

PROGRAMA GENERAL OBJETIVO GENERAL:

El alumno disear circuitos de control para motores de CD, CA, y motores a pasos incluyendo PLCS en procesos de control de equipo elctrico.

CONTENIDO SINTTICO:

I Introduccin a la Electrnica de Control

II Compuertas Lgicas III Circuitos Integrados IV control Electrnico de Motores a Pasos V Controladores Industriales por PLCs VI Microcontroladores

METODOLOGA:

Elaboracin de tareas y

trabajos de extra clase.

Solucin de problemas. Dinmicas grupales en clase. Realizacin de prcticas de laboratorio.

Elaboracin de un proyecto de aplicacin.

EVALUACIN Y ACREDITACIN:

Aplicacin de tres exmenes parciales. Evaluacin de tareas, trabajos.

Participacin activa en clase. Acreditacin de Laboratorio.

Presentacin de un proyecto de aplicacin.

BIBLIOGRAFA:

* Timothy J. Maloney, Electrnica Industrial, Editorial Prentice-Hall, Hispanoamericana S.A. primera edicin, 1983, 567 pginas. * Robert Rosenberg, B.S.M. A. Reparacin de Motores Elctricos, 1 y 2 Tomo. Editorial Gustavo Gili, sptima edicin, 1970, 400 pginas. * Jimmie J. Cathe, Dispositivos Electrnicos y Circuitos. Editorial McGraw Hill, Serie Shaumss, primera edicin, 1991, 353 pginas.

* Enrique Mandado Prez y Jorge Marcos Acevedo. Controladores Lgicos y


Autmatas Programables. Editorial Alfa omega, segunda edicin, 1999. 393 pginas.

NDICE GENERAL

UNIDAD I

INTRODUCCIN A LA ELECTRNICA DE CONTROL

1.1 Elementos de Control Electrnico..................................................... .11 1.2 Control Bsico en Equipo Elctrico..............................................13 1.3 Detectores en Aplicaciones Industriales de Control... .15 1.4 Circuitos de Control.18

UNIDAD II

COMPUERTAS LGICAS 2.1 Introduccin..19 2.2 Compuertas AND..............20 2.3 Compuerta OR....21 2.4 Compuertas NOT..22 2.5 Combinaciones y Aplicaciones...23

2.6 Simulacin con Compuertas Lgicas.32

UNIDAD III

CIRCUITOS INTEGRADOS

3.1 Seleccin de Circuitos Integrales en aplicaciones de Potencia y Control..35 3.2 Operacin con Equipos de Control por Medio de

Tiristores y Triacs.37 3.3 Aplicaciones en Variadores de Velocidad41

UNIDAD IV

CONTROL ELECTRNICO DE MOTORES A PASOS 4.1 Introduccin...47 4.2 Procedimiento para Controlar un motor a Pasaos..50 4.3 Aplicaciones.58

UNIDAD V

CONTROLADORES INDUSTRIALES POR PLCS.

5.1 Introduccin a los PLCS.62 5.2 Tipos de Programacin de PLCs...63 5.3 Programacin Bsica de PLCs.68 5.4 Aplicaciones......71


UNIDAD VI

MICROCONTROLADORES

6.1 Introduccin......75 6.2 Principios de Funcionamiento...80 6.3 Fundamentos de Programacin.....81

6.4 Aplicaciones...86

RESUMEN

1 INTRODUCCIN A LA ELECTRNICA DE CONTROL.89 2 COMPUERTAS LGICAS93 3 CIRCUITOS INTEGRADOS..99 4 CONTROL ELECTRNICO DE MOTORES A PASOS.102 5 CONTROLADORES INDUSTRIALES POR PLCS....104 6 MICROCONTROLADORES.115

GLOSARIO DE TRMINOS........120

COMENTARIOS Y FIN DE PGINA....131


UNIDAD 1

1. INTRODUCCIN A LA ELECTRNICA DE CONTROL

DEFINICIONES BSICAS E HISTORIA DE LA ELECTRNICA DIGITAL

1.a ELECTRNICA

La definicin de Electrnica admitida ms ampliamente es la realizada por Millman y Seely, posteriormente adaptada por el Institute of Radio Engineers (IRE), a saber:

"Es el campo de la Ciencia y la Ingeniera que trata de dispositivos electrnicos y de su utilizacin, entendiendo por dispositivo electrnico aquel en el que tiene lugar la conduccin por electrones a travs del vaco, de un gas o de un medio semiconductor."

Segn el Diccionario de la Real Academia Espaola es: "La ciencia que estudia dispositivos basados en el movimiento de los electrones libres en el vaco, gases o semiconductores, cuando dichos electrones estn sometidos a la accin de campos electromagnticos. Aun as, en las definiciones no se da contenido preciso al concepto de dispositivo, al tiempo que se concede una importancia fundamental al electrn, cuando la Tecnologa Electrnica se ocupa, fundamentalmente de los dispositivos, los circuitos y los sistemas. Para tratar de precisar el concepto de dispositivo electrnico es necesario recurrir a su evolucin histrica. En todo caso, resultan destacables la aparicin de la palabra dispositivo electrnico y la idea de que estos dispositivos, junto con otros componentes y tcnicas permiten la materializacin fsica de los circuitos y sistemas ideados por una serie de campos de la ingeniera de reciente desarrollo, fundamentalmente las Telecomunicaciones, la Informtica y la Automatizacin de procesos. En la actualidad es cada vez ms difcil no encontrarse da con da con un producto con la tecnologa digital. Ciertamente, el ejemplo ms representativo de estos es la computadora digital, sin embargo, lejos de ser el nico este pertenece a una amplia gama de productos que cada da se renueva, se perfecciona y crece. Los ejemplos actuales van desde computadoras digitales y calculadoras de bolsillo hasta video


juegos, relojes digitales, medidores, controladores industriales, electrodomsticos, aparatos de comunicacin, etc... Algunos ejemplos de ellos se ilustran a continuacin:

El Diseo Digital puede ser definido como la ciencia de organizar conjuntos de interruptores (switches) para procesar informacin de manera predecible y coherente. El avance actual de la electrnica conjuga los avances tanto del diseo digital como del analgico, estas dos ramas de la electrnica ofrecen soluciones para diversos problemas, sin embargo, cada vez ms las soluciones digitales invaden el campo que anteriormente era exclusivo de las soluciones analgicas. Sin embargo, en la mayora de los casos, la mejor solucin conjuga elementos analgicos y como digitales. A continuacin se presenta un breve resumen del desarrollo de la electrnica digital y los principales eventos que contribuyeron al desarrollo actual.


1. b ESQUEMA HISTRICO

1854 George Boole publica su artculo An investigation of the laws of thought. en donde sienta las bases del lgebra Booleana, sin embargo, para la poca, el artculo no tuvo trascendencia prctica. 1938 Claude Shannon sistematiza el trabajo anterior de Gorge Boole, dando origen a los primeros dispositivos de conmutacin diseados y probados mediante mtodos sistematizados. (Ya en 1930 los Laboratorios Bell haban desarrollado una calculadora usando relevadores) 1940 Alan Touring construye Colossus, primera computadora de tubos de vaco (mantenida en secreto casi por 40 aos) 1946 John Mauchly y J. Presper Eckert (U.S.A. Pensilvania) construyen la ENIAC usando tubos de vaco (18,000 tubos, 500,000 switches, 150 kilowatts) capaz de hacer 5000 sumas por segundo. 1947 Invencin del transistor, con el consiguiente ahorro de espacio, potencia de consumo y costo de los sistemas electrnicos. 1950-1960 Tercera generacin de computadoras construidas en base a circuitos integrados. 1971 La compaa INTEL lanza al mercado el primer microprocesador (el 4004) de 4 bits. A partir de aqu se comienzan a generalizar los sistemas digitales complejos basados en microprocesador para cubrir una extensa gama de aplicaciones que va desde los electrodomsticos hasta controladores industriales. A su vez la tecnologa de microprocesadores y computadoras digitales no ha dejado de perfeccionarse da con da, los siguientes son algunos eventos significativos ms recientes: 1972 INTEL produce el primer microprocesador de 8 bits (el 8008) 1973 INTEL lanza el 8080 (adoptado por IBM para la PC). MOTOROLA lanza el 6800 1975 ZILOG lanza el Z80 y MOTOROLA produce el 6502 (adoptado por APPLE) (El 6501 y 6502 fueron comercializados en $20 y $25 dlares cuando el microprocesador ms barato vala unos $180 dlares. 1979 se producen las primeras microcomputadoras de un solo chip (microcontroladores) 1985 primeras memorias de 1 megabits, etc.


1.c ELECTRNICA ANLOGA Y ELECTRNICA DIGITAL La electrnica se divide en general segn el tipo de circuito, en anloga y en digital de acuerdo a la forma como, tales circuitos, controla las seales que circulan por ellos, as: ELECTRNICA DIGITAL: Se rige por los denominados, circuitos digitales o lgicos, llamados as porque trabajan con seales que pueden adoptar uno de dos valores posibles, alto o bajo (ver seales digitales). Puede definirse la electrnica digital como la parte de la electrnica que estudia los dispositivos, circuitos y sistemas digitales, binarios o lgicos. A diferencia de la electrnica anloga o lineal, que trabaja con seales que pueden adoptar una amplia gama de valores, los voltajes en electrnica digital estn restringidos a uno de dos valores llamados niveles lgicos alto y bajo o estados 1 y 0. Generalmente el estado lgico alto o 1, corresponde a la presencia de voltaje y, por el contrario, el estado lgico bajo o 0 corresponde a su ausencia. Otra definicin de Electrnica digital: Se encarga del estudio de las seales digitales las cuales son llamadas tambin como seales binarias y se refiere nicamente a una seal discreta que solo puede tomar dos valores (0,1). En la siguiente figura se muestra una seal tpica binaria con respecto al tiempo. Hacen parte de la electrnica digital los circuitos y sistemas de control. Ejemplos de variables digitales: La edad en aos completos de una persona, el precio de un producto, el nmero de pobladores de un pas, etc. Un caso particular de seal digital que ser la que nos ocupe a lo largo de este curso es la llamada seal binaria y se refiere simplemente a una seal discreta que slo puede tomar dos valores (0, 1). En la siguiente figura se muestra una seal binaria tpica que vara con el tiempo.


Un caso particular de seal digital, ser la que nos ocupe a lo largo de este curso, es

la llamada seal binaria y se refiere simplemente a una seal discreta que slo puede

tomar dos valores, ceros y unos.

ELECTRNICA ANALGICA: Se encarga del estudio de las seales continuas como todas aquellas que pueden

tomar una infinidad de valores en un intervalo finito.

Se rige tambin por los denominados, circuitos anlogos o lineales, llamados as

porque la gran variedad de seales que se presentan, pero sobre todo, por la variacin

continua de los valores que la configuran.

Ejemplos de seales analgicas: Temperatura del cuerpo, velocidad de un auto,

distancia recorrida por un peatn, peso corporal, etc.

A diferencia de las seales digitales o discretas, slo puede tomar una cantidad finita

de valores en un intervalo cualquiera.

As como hay seales analgicas y digitales, tambin los dispositivos pueden clasificarse de esta manera dependiendo de las seales que manejan o de los principios de operacin en que estn basados. As podemos hablar de dispositivos analgicos o dispositivos digitales.

Inclusive los mtodos que nos permiten abordar problemas en general pueden ser clasificados como mtodos analgicos o mtodos digitales. De hecho, un mismo problema puede ser resuelto por ambos enfoques.

Ejemplo, de enfoque digital o analgico:

Contar el nmero de nueces en un costal:

Solucin digital: contar de una en una, todas las nueces.

Solucin analgica: medir el peso promedio de una nuez, pesar el costal y dividir el peso del costal entre el peso promedio de la nuez.

1. d INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS NUMRICOS Los SISTEMAS NUMRICOS representan un conjunto ordenado de smbolos, dgitos y reglas con las que se combinan para representar una cantidad numrica. Ejemplos de los sistemas numricos ms comunes: Binomial (base 2): 20,2 1,22, 23, 24, 25,26, 27, 28, 29, 210. n...etc. Octal (base 8): 80, 8 1,82,83,84, 85,86, 87,88, 89 ,810..n ..etc. Decimal (base 10): 100,101,102,103,104,105,106,107,108,109,1010.n.etc. y


Hexadecimal (base 16): 160,161,162,163,164,165,166,167,168,169,1610.n ..etc.

1. d.1 SISTEMA DECIMAL

Su origen lo encontramos en la India y fue introducido en Espaa por los rabes. Su base es 10. Emplea 10 caracteres o dgitos diferentes para indicar una determinada cantidad: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. El valor de cada smbolo depende de su posicin dentro de la cantidad a la que pertenece.

Existen diversos mtodos para convertir un nmero o dato de un sistema a otro. Aqu se muestra una tabla (1.1) de equivalencias entre estos sistemas:

Decimal Binario Hex.

0 0000 0

1 0001 1

2 0010 2

3 0011 3

4 0100 4

5 0101 5

6 0110 6

7 0111 7

8 1000 8

9 1001 9

10 1010 A

11 1011 B

12 1100 C

13 1101 D

14 1110 E

15 1111 F

1. d.2 CONVERSIN DE DECIMAL A BINARIO

En esta seccin de conversin de cualquier base a decimal usando la representacin polinomial. Es conveniente tratar el caso particular de convertir un nmero binario a decimal por ser una caso muy utilizado en sistemas digitales y porque el mtodo puede ser simplificado de la siguiente manera:

Anote (de ser posible mentalmente) los pesos o valores de las potencias de 2 a la cero (1), 2 a la 1 (2), dos a la dos cuatro, dos a la tres ocho, dos a la cuatro diez y seis,, etc., correspondientes a las posiciones de los bits del nmero a convertir. Luego, para comprobar simplemente, sume los pesos o potencias correspondientes a las posiciones de los bits con valor de 1, como se muestra a continuacin.

Para ello es conveniente memorizar la siguiente tabla 1.2;

TABLA 1.1.- EQUIVALENCIAS ENTRE SISTEMAS


POSICIN 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Punto 1 2

PESO 210 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 . 2-1 2-2

VALOR 1024 512 256 128 64 32 16 8 4 2 1 . 0.5 0.25

Ejemplo: Convertir el nmero decimal 35 en nmero binario.

35 = [0011]2

Peso 25 24 23 22 21 20

Valor 32 16 8 4 2 1

Posicin 1 0 0 0 1 1

35]10 = 1 0 0 0 1 1

Comprobacin: 32x1 + 16x0 + 8x0 + 4x0 +2x1 + 1x1 = 32 + 0 + 0 + 0 + 2 + 1 = 35

35 = (0011)2

CONVERSIN DE DECIMAL A HEXADECIMAL

Convertir el nmero decimal 58 en hexadecimal:

58]10 = 3 A] 16

Comprobacin:

58 = (16x3) + (1x10) = 48 + 10 = 58

En resumen:

Digito: Es la unidad mnima bsica, no es una combinacin de otros y representa un nmero entero positivo. Bit: es un dgito binario, un 0 o un 1, (binary digit). Byte: son 8 bits. Word: son 16 bits (Es la unidad numrica mnima bsica).

Peso 162 161 160

Valor 256 16 1

Posicin 3 10

3 A

TABLA 1.2


1.1 ELEMENTOS DE CONTROL ELECTRNICO

Control

El control por definicin es la regulacin, verificacin o el gobierno, en las mquinas y

en el hombre como la respiracin, transpiracin, y digestin, etc...

En otras palabras es el conjunto de acciones complementarias para realizar una

operacin que rene funciones de verificacin, regulacin y mando.

TEORA DEL CONTROL

Es una serie de operaciones mediante las cuales se comprueban las caractersticas de

objetos fabricados, antes de usarlos en un proceso de fabricacin, o entregarlos al

usuario, o de ponerlos en servicio, de acuerdo a las normas oficiales o caractersticas

especificadas por el cliente.

APLICACIONES Un elevado porcentaje de la teora de control que se estudia y aplica hoy en da, se ha desarrollado en los ltimos sesenta aos. Ello se debe a que en ese tiempo los sistemas automticos de control han desempeado un papel de gran importancia en el desarrollo de la civilizacin y tecnologa moderna. Ejemplo de este tipo de sistemas podemos encontrar en cualquier mbito: Domstico: Sistemas de calefaccin y aire acondicionado que regulan la temperatura y humedad de los edificios modernos. Industria: Sistemas de control de calidad, mando de mquinas, herramientas, robots y cadenas de ensamblaje. Espacial: Satlites y vehculos espaciales cuentan con sofisticados sistemas de control, sin cuyo concurso sera imposible su desarrollo. Adems podramos citar los campos de la energa nuclear, qumica, fsica, etc. Pero sin lugar a dudas, el sistema de control ms sofisticado y complejo que existe es el ser humano. Una actividad tan normal y cotidiana como podra ser el seguir una trayectoria determinada a lo largo de un camino pone en funcionamiento todo un sistema de control realimentado.

EQUIPO COMPLEMENTARIO A LOS DISPOSITIVOS DE CONTROL

TRANSISTOR

Son dispositivos semiconductores con tres terminales de conexin. Un voltaje o corriente muy pequea en una terminal puede controlar grandes cantidades de corriente a travs de los otros dos pines. Esto Significa que pueden ser utilizados


como amplificadores e interruptores. Existen dos familias de transistores: Bipolares y de Efecto de Campo (FETS).

El TRANSISTOR BIPOLAR fue inventado en diciembre de 1947 en el Bell Telephone Laboratories por John Bardeen y Walter Brattain bajo la direccin de William Shockley.

El transistor bipolar es el ms comn de los transistores, y como los diodos, puede ser de germanio o silicio.

TIPOS DE TRANSISTORES BIPOLARES

Existen dos tipos transistores: el NPN y el PNP, y la direccin del flujo de la corriente en cada caso, lo indica la flecha que se ve en el grfico de cada tipo de transistor.

El transistor es un dispositivo de 3 capas y tres patillas con los siguientes nombres: base (B), colector (C) y emisor (E), coincidiendo siempre, el emisor, con la patilla que tiene la flecha en el grfico de transistor.

Transistor NPN Transistor PNP

Un transistor de unin bipolar est formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una regin muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres regiones que son: emisor, base y colector.

LOS TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO (FETS), se han vuelto ms importantes que

los Transistores Bipolares. Estos son fciles de construir ya que requieren de menos

silicio. Existen dos familias principales de fets, de unin y semiconductor metal-oxido-

semiconductor.

DIODO AC DIAC (DIODO DE CORRIENTE ALTERNA)

El DIAC es bsicamente una combinacin paralelo inversa de dos diodos de cuatro capas, lo cual permite el disparo en ambas direcciones. La figura muestra su conformacin fsica, su representacin simblica y su caracterstica tensin-corriente.

La caracterstica tensin-corriente muestra claramente un voltaje de ruptura tanto para valores positivos como para negativos, es decir que el nico camino de disparo del dispositivo es exceder los niveles de ruptura V.

Los voltajes de ruptura pueden variar entre 25 y 42 volts.

Los niveles de corriente son de aproximadamente 0.2 mA


Figura 1.1.- Caractersticas del DIAC

La principal aplicacin del DIAC radica en su utilizacin como gatillo o disparador de

un TRIAC.

1.2 CONTROL BSICO EN EQUIPO ELCTRICO

Todas las instalaciones debern estar protegidas por automatismos que aseguren la interrupcin de corriente para una intensidad anormal, por sobrecarga o cortos circuitos. Los equipos de proteccin como fusibles, Termo-magnticos o pastillas y relevadores, deben ir colocados sobre un material aislante incombustible y estarn construidos de forma que no puedan proyectar metal al fundirse o explotar. Todo fusible debe llevar marcada la intensidad y tensin nominal de trabajo para lo que ha sido construido. Los fusibles se construyen de diversas formas y tamaos diferentes, para distintas tensiones y cargas de corriente, pero todos ellos funcionan basndose en el mismo principio general, esto es abriendo el circuito al fundirse el trozo de metal (plomo) calibrado a la sobrecorriente determinada, que se calienta hasta el punto de fusin cuando circula a travs de el una corriente excesiva. Dispositivos Bsicos de Equipo Elctrico Estos dispositivos principalmente son fusibles, pastillas termomagnticas para controlar el paso de la corriente, relevador (trabaja como un electroimn) y controladores de mercurio. Estos dispositivos de control permiten el contacto o apertura de la corriente elctrica dependiendo las altas de amperaje a las que se encuentran expuestos estos fusibles Pastillas electromagnticas Son dispositivos de control mediante el uso del electromagnetismo para poder abrir y cerrar cuando hay irregularidades con el voltaje o amperaje.


Fusibles

Deben cumplir las siguientes condiciones

Quiz el dispositivo mas simple de proteccin del motor contra sobre intensidades es

el fusible. Los fusibles estn divididos en dos grandes grupos: fusibles de baja

tensin (600 V o menos) y fusibles de alta tensin (mas de 600 V).

Tipos de fusibles. El tipo de cartucho o contacto de casquillo es til para las tensiones

nominales entre 250 y 600 V en los de tipo fijo y recambiable. El tipo fijo contiene polvo

aislante (talco o un adecuado aislante orgnico) redondeando el elemento fusible. En

caso de cortocircuito, el polvo tiene como misin Enfriar el metal vaporizado Absorber el vapor metlico condensa Extinguir el arco que pueda mantenerse en el vapor metlico conductor. La

presencia de este polvo es la que confiere al fusible su alto poder de ruptura en el caso de cortocircuitos bruscos.

Se han efectuado ensayos para mejorar las caractersticas del fusible en las aplicaciones a los motores de forma que, con valores nominales inferiores, permitan protecciones contra sobrecargas y de cortocircuitos.

Los fusibles de cartucho comunes poseen cierta capacidad de limitacin de la corriente ya que interrumpen el circuito casi instantneamente antes de que el cortocircuito tenga la oportunidad de existir y fundir o unir los contactos de los disyuntores o relees de mxima. El fusible de potencia limitador de la corriente contiene elementos fusibles de aleacin de plata rodeados por cuarzo en polvo.

RELEVADORES

El rel o relevador, del francs relais, relevo, es un dispositivo electromecnico, que funciona como un interruptor controlado por un circuito elctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimn, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos elctricos independientes. Fue inventado por Joseph Henry en 1835.

Dado que el rel es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada, puede considerarse, en un amplio sentido, como un amplificador elctrico. Como tal se emplearon en telegrafa, haciendo la funcin de repetidores que


generaban una nueva seal con corriente procedente de pilas locales a partir de la seal dbil recibida por la lnea. Se les llamaba "relevadores". De ah "rel".

Figura 1.2.- Funcionamiento de un rel y diferentes rels de enchufar.

Rel de corriente alterna

Cuando se excita la bobina de un rel con corriente alterna, el flujo magntico en el circuito magntico, tambin es alterno, produciendo una fuerza pulsante, con frecuencia doble, sobre los contactos. Es decir, los contactos de un rel conectado a la red, en Europa oscilarn a 50 Hz y en Amrica a 60 Hz. Este hecho se aprovecha en algunos timbres y zumbadores, (modifican la resonancia de los contactos para que no oscilen), como un activador a distancia. Un rel de corriente se conecta en serie y un rel de potencial se conecta en paralelo.

Rel de estado slido

Se llama rel de estado slido a un circuito hbrido, normalmente compuesto por un optoacoplador que asla la entrada, un circuito de disparo, que detecta el paso por cero de la corriente de lnea y un TRIAC dispositivo similar que acta de interruptor de potencia. Su nombre se debe a la similitud que presenta con un rel electromecnico; este dispositivo es usado generalmente para aplicaciones donde se presenta un uso continuo de los contactos del rel que en comparacin con un rel convencional generara un serio desgaste mecnico.

1.3 DETECTORES EN APLICACIONES INDUSTRIALES DE CONTROL

Un detector es un transductor o un sensor, capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energa de entrada (fsica o qumica), en otra con salida de energa elctrica. El nombre del transductor ya nos indica cual es la transformacin que realiza ya que es un dispositivo usado principalmente en las ciencias elctricas para obtener la informacin de entornos fsicos o qumicos y conseguir (a partir de esta informacin) seales o impulsos elctricos o viceversa.


En resumen un transductor es un dispositivo que transforma un tipo de variable fsica en otro (por ejemplo, Fuerza, presin, temperatura, velocidad, etc.).

Un sensor es un transductor que se utiliza para medir una variable fsica de inters.

Algunos de los sensores y transductores utilizados con ms frecuencia, son los calibradores de tensin (utilizados para medir la fuerza y la presin), los termopares (temperaturas), los velocmetros (velocidad).

Cualquier sensor o transductor necesita estar calibrado para ser til como dispositivos de medida. La calibracin es el procedimiento mediante el cual se establece la relacin entre la variable medida y la seal de salida convertida.

Los transductores y los sensores pueden clasificarse en dos tipos bsicos, dependiendo de la forma de la seal convertida, a saber:

Los transductores analgicos proporcionan una seal analgica continua, por ejemplo voltaje o corriente elctrica. Esta seal puede ser tomada como el valor de la variable fsica que se mide.

Los transductores digitales producen una seal de salida digital, en la forma de un conjunto de bits de estado en paralelo o formando una serie de pulsaciones que pueden ser contadas. En una u otra forma, las seales digitales representan el valor de la variable medida. Los transductores digitales suelen ofrecer la ventaja de ser ms compatibles con las computadoras digitales que los sensores analgicos en la automatizacin y en el control de procesos. A continuacin se mencionan varias aplicaciones:

Interruptores de Posicin

Tambin llamados Finales de Carrera son utilizados para transformar un movimiento mecnico en una seal elctrica. El movimiento mecnico en forma de leva o empujador acta sobre la palanca o pistn de accionamiento del interruptor de posicin haciendo abrir o cerrar un contacto elctrico del interruptor.

Esta seal elctrica se utiliza para posicionar, contar, parar o iniciar una secuencia operativa al actuar sobre los elementos de control de la mquina.

Presostato

Son dispositivos automticos que mantienen constante la presin de un fluido. Sirven para controlar o regular una presin o una depresin en un circuito neumtico o hidrulico.

Estos aparatos transforman un cambio de presin en una seal elctrica todo o nada. Cuando se alcanza una cierta presin preseleccionada, el contacto de tipo ruptura brusca cambia de estado.

Termostatos

Sirven para detectar un umbral de temperatura en un depsito, una canalizacin, etc. Estos aparatos transforman un cambio de temperatura en una seal elctrica. Cuando la temperatura alcanza el valor preseleccionado, el contacto elctrico cambia de estado.


Interruptores horarios y crepusculares

El principio de funcionamiento se basa en un componente fotosensible que asociado a un circuito de amplificacin que produce una seal al relee, efectuando la apertura o el cierre del contacto segn el nivel de regulacin.

Control de nivel (lquidos / slidos)

Lquidos Control de nivel.- Definiremos como control de nivel, a todos aquellos elementos o componentes capaces de detectar la presencia de lquidos o slidos, sea de la naturaleza que sean, y se encuentren dentro del campo de accin del detector y a la vez sean capaces de suministrar una informacin de salida, bien sea analgica o digital.

Control e identificacin de niveles Por elemento a destacar:

- Detectores de nivel para lquidos (aguas limpias, contaminadas, conductores o no conductores, etc...)

- Detectores de nivel para slidos, (polvo, carbn, arena, etc.).

- Detectores por sistema de deteccin:

1. Detectores de boya mecnica 2. Detectores de boya 3. Detectores por conductividad 4. Detectores por capacidad 5. Detectores por transductores de presin 6. Detectores por ultrasonidos 7. Detectores especiales para ridos, etc.

Detectores de proximidad

Son los ms utilizados en el entorno industrial, por contacto fsico y proximidad. Los detectores de proximidad son tiles en muchas aplicaciones en donde se requieren caractersticas teles como la velocidad, estar libre de mantenimiento y ser resistentes al desgaste por rozamiento lo cual limita la velocidad de operacin y el tiempo de vida til.

Otras caractersticas: 1. Pueden instalarse en cualquier posicin 2. Vida independiente 3. Protegidos contra la humedad 4. Elevada resistencia a productos qumicos

Tipos de detectores de proximidad: Inductivos:

Su sensibilidad es elevada, no pueden detectar objetos no metlicos como plstico, cristal, etc.

Capacitivo: Consta de un electrodo situado en el extremo del detector conectado a un circuito oscilador, el cual, a su vez, forma parte de un bucle de realimentacin positiva dentro de dicho circuito oscilador; la otra placa de este condensador variable la constituye, o bien el propio objeto a detectar, el cual deber estar previamente conectado a masa, o bien a una placa de masa independiente.

Magntico:


Incorpora un censor magntico, generalmente un relee en cuya cpula hermtica los dos electrodos de contacto hacen de material ferromagntico.

SISTEMAS DE DETECCIN

Sistema barrera: Emisor y receptor estn separados, es el sistema mejor adaptado para:

1. La deteccin de materiales opacos y reflectantes. 2. Los entornos contaminados ( polvo, lluvia, contaminacin, etc. ) 3. Las largas distancias. 4. El posicionamiento exacto y la deteccin de pequeos objetos.

Detectores por ultrasonidos

El principio del funcionamiento esta basado, en la emisin y reflexin de ondas acsticas, sobre a detectar. El portador de estas ondas es el aire. El detector mide y evala el tiempo que tarda los ultrasonidos desde emisin asta su recepcin.

APLICACIONES:

1. Instalaciones de almacenamiento 2. Sistema de transporte 3. Industria de la alimentacin 4. Procesos de metales, vidrios y plsticos 5. Supervisin de materiales a granel

Detectores para alarmas

Detector de movimientos crepuscular, infrarrojos.

Principales utilizaciones: 1. Detecta el movimiento de una persona y enciende automticamente el

alumbrado. 2. Excelente para disuadir a los intrusos. 3. Evita accidentes en fabricas mediante alumbrados. 4. Ofrece un recibimiento agradable a los visitantes.

Este detector equipado con una lente ptica que le permite detectar la radiacin calorfica de un cuerpo humano en movimiento de noche.

Funciona principalmente por la noche, pero se puede regular par el da, de 5 a 300 lux.

Detector de movimientos infrarrojos, para falsos techos.

El detector de movimientos colocado en el falso techo acta al paso de personas y acciona el relee de potencia de la luminaria del pasillo (hasta 6 detectores por relee) durante 12 minutos.

1.4 CIRCUITOS DE CONTROL

Un circuito de control es un elemento que esta compuesto de alimentadores o mallas cerradas (circuitos), y que lo integran componentes elctricos o electrnicos, como fusibles, interruptores, relevadores, compuertas lgicas, tiristores, SCRs, y Triacs,


etc. para llevar a cabo una funcin de mando, gobierno, control, revisin, regulacin u operacin.

TIRISTOR.

El tiristor (del griego: puerta) es un componente electrnico constituido por elementos semiconductores que utiliza realimentacin interna para producir una conmutacin o disparo. Se emplea generalmente para el control de potencia elctrica o en reguladores de voltaje. La corriente controlada puede ser solamente encendida o apagada, por esta razn los tiristores no amplifican las seales fluctuantes como los transistores.

Existen dos familias de tiristores, y son los Rectificadores Controladores de Silicio (SCRs) y TRIACs. Los SCRs conmutan la corriente directa y los TRIACs conmutan la corriente alterna. Los dispositivos DIAC y TRIAC fueron desarrollados por ingenieros de General Electric en los aos 1960 (ver Figura 1.3).

Fig.1. 3.- Smbolo electrnico del Tiristor

SCR

Es un RECTIFICADOR CONTROLADOR DE SILICIO o un semiconductor de Silicio con una compuerta, que opera al cambiar o variar la corriente elctrica o el voltaje, ver Figura 1.4. Es similar a un transistor bipolar con una cuarta capa, es llamado algunas veces diodo pnpn de 4 capas ya que pasa una corriente en una sola direccin.

Las aplicaciones que tiene este dispositivo son en general en todas los sistemas de

control automtico, donde por medio de un sensor (por ejemplo de movimiento para

abrir una puerta del supermercado) que convierte la seal fsica, qumica, en pulsos o

corriente elctrica, recibida o captada por el SCR y de acuerdo a su calibracin este

manda abril o cerrar un micro switch que controla determinado motor, alarma auditiva,

alarma visual o un interruptor principal de un determinado proceso, etc.

TRIAC

Es un dispositivo TIPO DIAC con un gatillo o disparador o compuerta. Este acta como un switch, con una compuerta que controla los estados de conduccin o bloqueo a los que puede llegar. A diferencia del SCR (Rectificador Controlador de Silicio), el TRIAC


es un dispositivo bidireccional, pudiendo ser activado con niveles de polaridad positiva o negativa en compuerta. APLICACIONES

La gran ventaja que presenta el TRIAC es que puede ser utilizado en tensiones en las

cuales se requiere ejercer control sobre cargas CA (Corriente Alterna), tales como

control de motores, sistemas de calefaccin, o control para recargadores de bateras

para celulares, PC, etc., que al llegar a un determinado voltaje estos ordenan abrir su

circuito (desconexin), sin llegar a quemarse por olvido.

Por lo tanto el TRIAC, es otro tiristor de amplia utilizacin como es el SCR. Los

smbolos esquemticos de estos dispositivos se muestran a continuacin, (Figura 1.4).

Figura 1.4.- SCR y TRIAC


UNIDAD II COMPUERTAS LGICAS

2.1 INTRODUCCIN

COMPUERTAS LGICAS.

Una compuerta o puerta lgica, es un dispositivo electrnico con una expresin fsica de un operador booleano, en la lgica de conmutacin. Cada puerta lgica consiste en una red de dispositivos interruptores que cumple las condiciones booleanas para un operador particular. Son esencialmente circuitos de conmutacin integrados en un chip (circuito integrado).

Entonces, una compuerta lgica es la representacin fsica de un operador booleano, las compuertas lgicas son usadas en la electrnica digital para que al dar cierta informacin de entrada a un sistema, esta produzca una salida o resultado, se utiliza la algebra booleana para agrupar variables, constantes, operadores y tablas de verdad, que nos determinarn el resultado del sistema para todas las posibles combinaciones de este, en la electrnica digital se utilizan generalmente diodos y transistores para conmutar la informacin usando el sistema binario, teniendo al 1 como verdadero y 0 como falso.

Las compuertas bsicas son las and, or y not. Estas varan dependiendo del tipo de proceso a realizar, cada una con un comportamiento perfectamente definido, y es posible combinarlas entre s para obtener funciones nuevas.

En resumen: Compuertas Lgicas

Las compuertas lgicas son dispositivos que operan con aquellos estados lgicos y funcionan igual que una calculadora, de un lado ingresas los datos, sta realiza una operacin, y finalmente, te muestra el resultado.

Circuitos lgicos

Los circuitos de conmutacin y temporizacin, o circuitos lgicos, forman la base de cualquier dispositivo en el que se tengan que seleccionar o combinar seales de manera controlada. Entre los campos de aplicacin de estos tipos de circuitos pueden mencionarse la conmutacin telefnica, las transmisiones por satlite y el funcionamiento de las computadoras digitales.


La lgica digital es un proceso racional para adoptar sencillas decisiones de 'verdadero' o 'falso' basadas en las reglas del lgebra de Boole. El estado verdadero se representado por un 1, y falso por un 0, y en los circuitos lgicos estos numerales aparecen como seales de dos tensiones diferentes. Los circuitos lgicos se utilizan para adoptar decisiones especficas de 'verdadero-falso' sobre la base de la presencia de mltiples seales 'verdadero-falso' en las entradas. Las seales se pueden generar por conmutadores mecnicos o por transductores de estado slido. La seal de entrada, una vez aceptada y acondicionada (para eliminar las seales elctricas indeseadas, o ruidos), es procesada por los circuitos lgicos digitales. Las diversas familias de dispositivos lgicos digitales, por lo general circuitos integrados, ejecutan una variedad de funciones lgicas a travs de las llamadas puertas lgicas, como las puertas OR, AND y NOT y combinaciones de las mismas (como 'NOR', que incluye a OR y a NOT). Otra familia lgica muy utilizada es la lgica transistor-transistor. Tambin se emplea la lgica de semiconductor complementario de xido metlico, que ejecuta funciones similares a niveles de potencia muy bajos pero a velocidades de funcionamiento ligeramente inferiores. .

Familias Lgicas

Los circuitos digitales emplean componentes encapsulados, los cuales pueden albergar puertas lgicas o circuitos lgicos ms complejos.

Estos componentes estn estandarizados, para que haya una compatibilidad entre fabricantes, de forma que las caractersticas ms importantes sean comunes. De forma global los componentes lgicos se engloban dentro de una de las dos familias siguientes:

TTL: diseada para una alta velocidad de 5 Vcc. CMOS: diseada para un bajo consumo de hasta 17 Vcc. Por lo general estas tensiones se aplican a las terminales 1 y 14 con la polaridad correspondiente a los CI que componen los circuitos de las compuertas lgicas.

2.2 COMPUERTA LGICA AND

Con dos o ms entradas, esta compuerta realiza la funcin booleana de la

multiplicacin. Se representa como un circuito elctrico en serie.

Su salida ser un 1 cuando todas sus entradas tambin estn en nivel alto (1). En

cualquier otro caso, la salida ser un 0. El operador AND se lo asocia a la

multiplicacin.

En efecto, el resultado de multiplicar entre si diferentes valores binarios solo dar como resultado 1 cuando todos ellos tambin sean 1, como se puede ver en su tabla de verdad.


Matemticamente se lo simboliza con el signo x.

Compuertas AND de 2 y 4 entradas TABLA DE VERDAD de la compuerta AND de dos entradas.

2.3 COMPUERTA LGICA OR

La funcin lgica booleana que realiza la compuerta OR, dentro de la Electrnica Digital, es la asociada a la suma, y matemticamente la expresamos como +. Se representa elctricamente como un circuito en paralelo.

La salida X de la compuerta OR ser "1" cuando la entrada "A" o la entrada "B" estn en "1". Expresndolo en otras palabras: En una compuerta OR, la salida ser "1", cuando en cualquiera de sus entradas haya un "1".

La compuerta OR se representa con la siguiente funcin booleana: X = A+B X = B+A

Compuerta OR de dos entradas.

La representacin de la compuerta "OR" de 2 entradas y su tabla de verdad se muestran a continuacin.

La compuerta OR tambin se puede implementar con interruptores como se

muestra en la figura de arriba a la derecha, en donde se puede ver que: cerrando el

interruptor A "O" el interruptor B se encender la luz

"1" = cerrado , "0" = abierto, "1" = luz encendida

Entrada A Entrada B Salida S 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1


Compuerta OR de tres entradas

En las siguientes figuras se muestran la representacin de la compuerta "OR" de

tres entradas con su tabla de verdad y la implementacin con interruptores.

La lmpara incandescente se iluminar cuando cualquiera de los interruptores (A o B

o C) se cierre. Se puede ver que cuando cualquiera de ellos est cerrado la lmpara

estar alimentada y se encender. La funcin booleana es X = A + B + C.

2.4 COMPUERTA NOT (Negada)

Esta compuerta presenta en su salida un valor que es el opuesto del que est presente en su nica entrada. En efecto, su funcin es la negacin, y comparte con la compuerta IF la caracterstica de tener solo una entrada.

Se utiliza cuando es necesario tener disponible un valor lgico opuesto a uno dado. La figura muestra el smbolo utilizado en los esquemas de circuitos para representar esta compuerta, y su tabla de verdad.

Un pequeo circulo agregado en su salida, que representa la negacin.

El crculo en la salida significa negacin.


TABLA DE VERDAD NOT

El estado de la salida es el opuesto al de la entrada

2. 5 COMBINACIONES Y APLICACIONES XOR, LA O EXCLUSIVA (Disyuncin exclusiva) Es el operador que conecta dos proposiciones en paralelo (dos vas a tierra) con un Led, donde el sentido estricto de la o literal, o es blanco o es negro; es o no es. El operador se denomina XOR, cuyo funcionamiento es semejante al operador or con la diferencia en que su resultado es verdadero solamente si una de las proposiciones es cierta, cuando ambas son verdaderas el resultado es falso, igual si las dos son

falsas. Se nota como . Algunos ejemplos son: r : Antonio canta o silva La proposicin est compuesta por las proposiciones p: Antonio Canta y q: Antonio silva,

Su notacin es: r: p q. Su tabla de verdad ser:

El diagrama es:

Entrada A Salida S 0 1 1 0

.p .q .r = p q

1 1 0

1 0 1

0 1 1

0 0 0


LA XOR CON DIAGRAMA DE VENN

La XOR o disyuncin exclusiva se asimila a la operacin Unin Exclusiva entre

conjuntos, por ello en diagrama de Venn se representa, as:

Figura No 2.1. Diagrama de Venn de una Disyuncin exclusiva (XOR) [.p q ]

Y en circuito de conmutacin, ser:

Figura No 2.2. Representacin Elctrica de una disyuncin Exclusiva XOR ( p q)

El led ser encendido si los interruptores estn en posiciones contrarias (p=1 y q=0),

de cualquier otra forma se conservara apagado (p=1 y q=1, apagado, p=0 y q=0,

tambin apagado, porque se van a tierra) (o lgico = apagado). Su circuito de

asemeja a un diagrama de conexiones para un apagador dos vas (de escalera) a

tierra.

En otras palabras la Compuerta Lgica OR-EX o XOR es:


Una suma lgica entre a por b invertida y a invertida por b. (Al ser O Exclusiva su

salida ser 1 si una y slo una de sus entradas es 1).

A diferencia de la compuerta OR, la compuerta XOR tiene una salida igual a "0"

cuando sus entradas son iguales a 1.

De la misma manera que el caso anterior se puede ver que se cumple que X = 1 slo

cuando la suma de las entradas en "1" sea impar

Combinaciones con negadora. Con ayuda de estos operadores bsicos se pueden formar los operadores compuestos

NAND (combinacin de los operadores NOT y AND), NOR (combina operadores NOT

y OR) y XNOR (resultado de XOR y NOT).

Operador NAND Conjuncin negada

Se utiliza para conectar dos proposiciones que se deben cumplir (ser verdaderas) para

que se pueda obtener un resultado falso, en cualquier otro caso la proposicin

compuesta es verdadera. Su smbolo es: {(), (.), ()}.

.q .r p = (q r)

1 1 0

1 0 1

0 1 1

0 0 1

De tal manera que la representacin de una proposicin queda como sigue:

p = (q r)

Cuya tabla de verdad es complemente contraria a la conjuncin:


Donde: 1 = verdadero 0 = falso

El operador y negado en la teora de conjuntos equivale a la operacin de interseccin

complementada, por ello se le puede representar en diagrama de Venn como lo

muestra la figura No 2.3:

Figura No 2.3. (q r)

El conector NAND tambin tiene representacin elctrica con interruptores, como aparece en la figura 2.4.

Si los dos interruptores estn cerrados (indicando verdadero o 1 lgico) el led se apaga (0 lgico) de lo contrario est encendida (1 lgico). Su comportamiento es completamente contrario a la conjuncin.

Figura No 2.4. Circuito con interruptores que representa la funcin lgica Conjuncin

(NAND) (q r)

Operador NOR Disyuncin negada

Es el Inverso de la disyuncin, por ello, se obtiene con este operador un resultado

verdadero en el nico caso que se obtena falso en la disyuncin, es decir, cuando las

proposiciones son falsas. En cualquier otro caso da un resultado falso. Se e indica por

medio de los siguientes smbolos: {(), (+), ()}. Se conoce como las suma lgica

inversa en el lgebra Booleana.


La proposicin compuesta es

r : (p q)

y la tabla de verdad representativa es:

.p .q .r = (p q)

1 1 0

1 0 0

0 1 0

0 0 1

En cualquier caso la operacin NOR o la disyuncin negada se asimila a la operacin Unin entre conjuntos, pero, complementada; por ello en diagrama de Venn se representa como en la figura No 2.5, donde se considera como resultado todo lo que en la disyuncin no lo era, as:

Figura No 2.5. Diagrama de Venn de una Disyuncin negada

El circuito de conmutacin queda como en la figura No 2.6. La nica forma en que se

ACTIVE el led (1 lgico), es que ninguno de los interruptores se cierre (1 lgico), el

led se conservar APAGADO (0 lgico).


Figura No 2.6. Representacin elctrica de una disyuncin negada (NOR) (p v q)

COMPUERTA XOR:

La compuerta XOR (OR exclusivo) es un dispositivo de dos entradas y una salida que cumple con la condicin que la salida toma el valor lgico 1 si, y solo si las entradas son diferentes (chifla o come).

Compuerta OR-Exclusiva (XOR)

La puerta lgica OR-exclusiva, ms conocida por su nombre en ingls XOR, realiza la funcin booleana A'B+AB'. Su smbolo es el mas (+) inscrito en un crculo. En la figura de la derecha pueden observarse sus smbolos en electrnica.

La ecuacin caracterstica que describe el comportamiento de la puerta XOR es:

Los diagramas y smbolos bsicos son los siguientes:

Smbolo de la funcin lgica O-exclusiva.

a) Contactos

b) Normalizado y

c) No normalizado


Diagrama de la XOR exclusiva, utilizando compuertas lgicas:

Su tabla de verdad es la siguiente:

Se puede definir esta puerta como aquella que da por resultado UNO, cuando los valores en las entradas son distintos (come o chifla, uno u otro, no los dos al mismo tiempo). ej: 1 y 0, 0 y 1 (en una compuerta de dos entradas).

Si la puerta tuviese tres o ms entradas , la XOR tomara la funcin de suma de paridad, cuenta el nmero de unos a la entrada y si son un nmero impar, pone un 1 a la salida, para que el nmero de unos pase a ser par.

Tabla de verdad puerta XOR

Entrada A Entrada B Salida

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0


CIRCUITO XOR EQUIVALENTE CON OTRAS COMPUERTAS

Tambin se puede implementar la compuerta XOR con una combinacin de otras compuertas ms comunes.

En el siguiente diagrama se muestra una compuerta XOR de dos entradas implementada con compuertas bsicas: la compuerta AND, la compuerta OR y la compuerta NOT.

Compuertas XOR con tres terminales, se observa en el siguiente diagrama:

Y: A B C, es:

2.6 SIMULACIN CON COMPUERTAS LGICAS La simulacin es reproducir un ambiente de variables, parmetros, conexiones, arreglos y caractersticas de un modelo matemtico a un sistema real.


Es imitar o visualizar el comportamiento de una compuerta lgica (en tiempo real) al

variar cada uno de sus estados lgicos para su mejor anlisis, comprensin y alcance.

Tambin la simulacin constituye una tcnica eficaz que nos permite ofrecer varios escenarios posibles al modelo propuesto para poder equivocarnos y hacer las correspondientes correcciones al modelo planteado (acciones correctivas).

Procedimiento.- Para representar fsicamente el comportamiento de una compuerta

lgica se toma como base la similitud que se tiene con un circuito elctrico, el cual

permite reproducir visualmente las condiciones de funcionamiento de cada una de

estas compuertas lgicas. Cada compuerta tiene asociado uno o varios interruptores

en cada circuito elctrico y al operarse cada uno de estos, el resultado se visualiza con

el encendido o apagado de un foco incandescente, tambin se indica su dibujo o

smbolo booleano correspondiente, como se muestra a continuacin.

Compuerta AND

Una compuerta AND puede tener dos o ms entradas y realiza la operacin que se

conoce como multiplicacin lgica. (Circuito en serie)


Compuerta OR

Una compuerta OR puede tener dos o ms entradas y realiza la operacin que se

conoce como suma lgica. (Se comporta como un circuito paralelo)


Compuerta NOT

La compuerta NOT dentro de la electrnica digital, no se podran lograr muchas cosas

si no existiera la compuerta NOT (compuerta NO), tambin llamada compuerta

inversora.


Operador NAND conjuncin negada

Es el complemento de la funcin AND, como se indica por el smbolo grfico, que

consiste en una compuerta AND seguida por un pequeo crculo (quiere decir que

invierte la seal).


Operador NOR disyuncin negada

La compuerta NOR es el complemento de la compuerta OR y utiliza el smbolo de la compuerta OR seguido de un crculo pequeo (quiere decir que invierte la seal). Las compuertas NOR pueden tener ms de dos entradas, y la salida es siempre el complemento de la funcin OR.


UNIDAD III

CIRCUITOS INTEGRADOS (CI)

3 INTRODUCCIN

Es un conjunto de elementos que interactan para un fin prefijado y esta constituido por la unin de varios elementos como resistencias, diodos, transistores etc. Un C.I. es de tamao muy pequeo.

Un circuito integrado (CI) o chip, es una pastilla muy delgada en la que se encuentra una enorme cantidad (del orden de miles o millones) de dispositivos microelectrnicos interconectados, principalmente diodos y transistores, adems de componentes pasivos como resistencias o condensadores. Su rea es de tamao reducido, del orden de un cm o inferior. Algunos de los circuitos integrados ms avanzados son los microprocesadores, que son usados en mltiples artefactos, desde computadoras hasta electrodomsticos, pasando por los telfonos mviles. Otra familia importante de circuitos integrados la constituyen las memorias digitales.

Escalas de Integracin En la actualidad se ha logrado introducir cantidades formidables de transistores en un solo circuito integrado. De hecho, los Circuitos Integrados (CI) se clasifican de acuerdo a la cantidad de transistores que contienen: S.S.I. (Pequea escala de integracin).- Menos de 100 transistores por circuito Integrado. M.S.I. (Media escala de integracin).- de 100 hasta 1000 transistores por C I. L.S.I. (Alta Escala de Integracin).- de 1000 a 10,000 transistores por CI. V.L.S.I. (Muy Alta Escala de Integracin).- Ms de 10,000 transistores por circuito.


3.1 SELECCIN DE CIRCUITOS INTEGRADOS EN APLICACIONES DE POTENCIA Y CONTROL

Como ya se menciono, un circuito integrado (CI) es un chip (placa o lmina), o una

pastilla muy delgada en la que se encuentra una enorme cantidad (del orden de miles

o millones) de dispositivos microelectrnicos interconectados, principalmente diodos y

transistores, adems de componentes pasivos como resistencias o condensadores. Su

rea es de tamao reducido, del orden de un cm o inferior, su seleccin ptima

(tamao y forma) ser su aplicacin final que tendr como objetivo deseado el que se

tomo en la especificacin del proyecto.

En resumen: Un (CI), es una pastilla pequea de material semiconductor, de

algunos milmetros cuadrados de rea, sobre la que se fabrican circuitos

electrnicos protegidos dentro de un encapsulado de plstico o cermica. El

encapsulado posee conductores metlicos apropiados para hacer conexin entre la

pastilla y un circuito impreso.

Algunos de los circuitos integrados ms avanzados son los microprocesadores, que

son usados en mltiples artefactos, desde computadoras hasta electrodomsticos,

pasando por los telfonos mviles. Otra familia importante de circuitos integrados la

constituyen las memorias digitales.

Existen tres tipos de circuitos integrados:

Circuitos monolticos: Estn fabricados en un solo monocristal, habitualmente de silicio, pero tambin existen en germanio, arseniuro de galio, silicio-germanio, etc. Circuitos hbridos de capa fina: Son muy similares a los circuitos monolticos, pero, adems, contienen componentes difciles de fabricar con tecnologa monoltica. Muchos conversores A/D y conversores D/A se fabricaron en tecnologa hbrida hasta que los progresos en la tecnologa permitieron fabricar resistencias precisas. Circuitos hbridos de capa gruesa: Se apartan bastante de los circuitos monolticos. De hecho suelen contener circuitos monolticos sin cpsula, transistores, diodos, etc., sobre un sustrato dielctrico, interconectados con pistas conductoras. Las resistencias se depositan por serigrafa y se ajustan hacindoles cortes con lser. Todo ello se encapsula, tanto en cpsulas plsticas como metlicas, dependiendo de la disipacin de potencia que necesiten. En muchos casos, la cpsula no est "moldeada", sino que simplemente consiste en una resina epoxica que protege el circuito.


En el mercado se encuentran circuitos hbridos para diferentes aplicaciones como fuentes de alimentacin, circuitos de encendido para automvil, etc...

CONTROL Y POTENCIA:

Las tcnicas de control o mando empleadas son el control sncrono, y el control

proporcional al tiempo, para esto utilizamos dispositivos de control electrnico como

los tiristores y Triacs.

Las caractersticas de los tiristores y de los Triacs es su tiempo de respuesta, el cual es muy pequeo ante la duracin de una alternancia. El cebado del componente se realiza en el instante preciso del periodo de la tensin a las cargas alternas.

3.2 OPERACIN CON EQUIPOS DE CONTROL POR MEDIO DE TIRISTORES Y TRIACS

TIRISTOR.

El Tiristor (del griego: puerta) semiconductor que utiliza realimentacin interna para producir una conmutacin. Se emplea generalmente para el control de circuitos. Es un componente electrnico constituido por tres elementos de conexin donde una pequea corriente en uno de estos pines permite que fluya una corriente ms grande a travs de este elemento. La corriente controlada puede ser solamente como encendido o apagado, no amplifican las seales, son interruptores de estado slido, Fig.3.1. Figura 3.1.- TIRISTOR COMO ELEMENTO DE CONTROL para ABRIR O CERRAR CIRCUITOS Existen dos familias de Tiristores; El Rectificador Controlado de silicio (SCR) y el TRIAC (un DIAC con compuerta). Estos elementos fueron desarrollados por ingenieros de General Electric en los aos 1960.


En resumen el Tiristor utiliza una apertura o cierre de una compuerta con una pequea corriente para el control y operacin de circuitos, por ejemplo enviada por un sensor. Los principales tipos de Tiristores son los siguientes:

Rectificador controlado de silicio (SCR) Diac Triac Foto-SCR Interruptor controlado por puerta Interruptor controlado de silicio GTO

SCR

El Rectificador Controlado de Silicio es similar a un Transistor Bipolar con una cuarta capa y por lo tanto tres junturas PN. Es llamado como diodo PNPN de 4 capas ya que pasa una corriente en una direccin nicamente Fig. 3.2. APLICACIONES: Pueden conmutar baja corriente desde 1 Amper hasta 2,500 Amperes y arriba de miles de Volts. Controlan motores, luces, Aparatos, etc.

FIGURA 3.2.- DIAGRAMA FSICO DE UN SCR

CONTROL DE APAGADO O ENCENDIDO

En la figura 3.3 se muestra como se usa un SCR para encender una lmpara incandescente. Con una pequea corriente, por ejemplo de un sensor o un control remoto, pueden controlar cualquier otro dispositivo, sustituyendo el dedo de la figura por un actuador, como un fotoacoplador.

FIGURA 3.3

Utilizacin de los SCR s.


TRIAC

Un TRIAC o Triodo para Corriente Alterna es un dispositivo semiconductor, de la familia de los Tiristores. La diferencia es que el Tiristor convencional es unidireccional y el TRIAC es bidireccional. De forma coloquial podra decirse que el TRIAC es un interruptor capaz de conmutar la corriente alterna.

Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposicin que formaran dos SCR en paralelo (ver fig. 3.4).

Posee tres electrodos: A1, A2 (en este caso pierden la denominacin de nodo y ctodo) y puerta. El disparo del TRIAC se realiza aplicando una corriente (del DIAC) al electrodo de la compuerta.

Figura. 3.4.- Smbolos electrnicos de un SCR y un TRIAC.

APLICACIONES MS COMUNES

Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas. Una de ellas es su utilizacin como interruptor esttico ofreciendo muchas ventajas sobre los interruptores mecnicos convencionales y los rels. Funciona como switch electrnico. Se utilizan TRIACs de baja potencia en muchas aplicaciones como atenuadores de luz, controles de velocidad para motores elctricos, y en los sistemas de control computarizado de muchos elementos caseros. No obstante, cuando se utiliza con cargas inductivas como motores elctricos, se deben tomar las precauciones necesarias para asegurarse que el TRIAC se apaga correctamente al final de cada semiciclo de la onda de Corriente alterna.

CARACTERSTICAS

Es un dispositiva bidireccional, puede encenderse por medio de un pulso en la compuerta y conduce en una direccin dependiendo de la polaridad del voltaje en las dos terminales del nodo.

El Triac es un dispositivo semiconductor que pertenece a la familia de los dispositivos de control por tiristores. El Triac es en esencia la conexin de dos tiristores en paralelo pero conectados en sentido opuesto y compartiendo la misma compuerta (ver Fig 3.2).

El Triac slo se utiliza en corriente alterna y al igual que el tiristor, se dispara por una compuerta. Como el Triac funciona en corriente alterna, habr una parte de la onda que ser positiva y otra negativa.


La parte positiva de la onda (semiciclo positivo) pasar por el Triac siempre y cuando haya habido una seal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circular de arriba hacia abajo (pasar por el tiristor que apunta hacia abajo), de igual manera:

La parte negativa de la onda (semiciclo negativo) pasar por el Triac siempre y cuando haya habido una seal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circular de abajo hacia arriba (pasar por el tiristor que apunta hacia arriba),para ambos semiciclos la seal de disparo se obtiene de la misma patilla (la puerta o compuerta).

Lo interesante es, que se puede controlar el momento de disparo de esta patilla y as, controlar el tiempo que cada tiristor estar en conduccin. [Recordar que un Tirisitor solo conduce cuando ha sido disparada (activada) la compuerta y entre sus terminales hay un voltaje positivo de un valor mnimo para cada tiristor].

Entonces, si se controla el tiempo que cada tiristor est en conduccin, se puede controlar la corriente que se entrega a una carga y por consiguiente la potencia que consume.

Por lo tanto: Un TRIAC o Trodo para Corriente Alterna es un dispositivo semiconductor, de la familia de los tiristores. La diferencia con un tiristor convencional es que ste es unidireccional y el TRIAC es bidireccional. Posee tres electrodos: A1, A2 (en este caso pierden la denominacin de nodo y ctodo) y puerta o compuerta. El disparo del TRIAC se realiza aplicando una corriente al electrodo puerta.

APLICACIONES MS COMUNES:

Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas. Una de ellas es su utilizacin como interruptor esttico ofreciendo muchas ventajas sobre los interruptores mecnicos convencionales y los rels. Funciona como switch electrnico. Ejemplo: Una aplicacin muy comn es el atenuador luminoso de lmparas incandescentes (circuito de control de fase).

Donde:

- Ven: Voltaje aplicado al circuito (A.C.) - L: lmpara - P: potencimetro - C: condensador (capacitor) - R: Resistencia - T: Triac - A2: nodo 2 del Triac - A3: nodo 3 del Triac - G: Gate, puerta o compuerta del Triac

El Triac controla el paso de la corriente alterna a la lmpara (carga), pasando continuamente entre los estados de conduccin (cuando la corriente circula por el triac) y el de corte (cuando la corriente no circula)


Si se vara el potencimetro, se vara el tiempo de carga del condensador, causando que se incremente o reduzca la diferencia de fase de la tensin de alimentacin y la que se aplica a la compuerta.

Nota: la diferencia de fase o la fase entre dos seales u ondas se define como el ngulo

(diferencia de tiempo) que existe entre los dos orgenes de las mismas.

TRANSISTOR.

El transistor es un dispositivo electrnico semiconductor que cumple funciones de

amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El trmino "Transistor" es la

contraccin en ingls de Transfer Resistor ("resistencia de transferencia").

Actualmente se utiliza prcticamente en todos los enseres domsticos de uso diario,

como: radios, televisores, grabadoras, reproductores de audio y vdeo, hornos de

microondas, lavadoras, automviles, equipos de refrigeracin, alarmas, relojes de

cuarzo, computadoras, calculadoras, impresoras, lmparas fluorescentes, equipos de

rayos X, tomgrafos, ecgrafos, reproductores mp3, celulares, etc..

HISTORIA

El transistor bipolar fue inventado en Diciembre de 1947 en el Bell Telephone Laboratories por John Bardeen y Walter Brattain bajo la direccin de William Shockley. La versin de ensambladura, inventada por Shockley en 1948, fue durante tres dcadas el dispositivo favorito en diseo de circuitos discretos e integrados (fig. 3.5).

Fig. 3.5 Replica del primer transistor.


El transistor bipolar (ver fig. 3.6) es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si le introducimos una cantidad de corriente por una de sus terminales, una cantidad mayor a sta se recibir la otra terminal, en un factor que se llama amplificacin.

Fig. 3.6

El Transistor de Unin Bipolar (del ingls Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT o TBJ) es un dispositivo electrnico de estado slido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre s, que permite controlar el paso de la corriente a travs de sus terminales. Los transistores bipolares se usan en la electrnica analgica.

3.3 APLICACIN DE VARIADORES DE VELOCIDAD El Variador de Velocidad (VSD, por sus siglas en ingls Variable Speed Drive) es en un sentido amplio un dispositivo o conjunto de dispositivos mecnicos, hidrulicos, elctricos o electrnicos empleados para controlar la velocidad giratoria de maquinaria, especialmente de motores. De igual manera, en ocasiones es denominado mediante el anglicismo Drive, costumbre que se considera inadecuada. La maquinaria industrial generalmente es accionada a travs de motores elctricos, a velocidades constantes o variables, pero con valores precisos. No obstante, los motores elctricos generalmente operan a velocidad constante o cuasi-constante, y con valores que dependen de la alimentacin y de las caractersticas propias del motor, los cuales no se pueden modificar fcilmente. Para lograr regular la velocidad de los motores, se emplea un controlador especial que recibe el nombre de variador de velocidad. Los variadores de velocidad se emplean en una amplia gama de aplicaciones industriales, como en ventiladores y equipo de aire acondicionado, equipo de bombeo, bandas y transportadores industriales, elevadores, llenadoras, tornos y fresadoras, etc.. Un variador de velocidad puede consistir en la combinacin de un motor elctrico y el controlador que se emplea para regular la velocidad del mismo. La combinacin de un motor de velocidad constante y de un dispositivo mecnico que permita cambiar la velocidad de forma continua (sin ser un motor paso a paso) tambin puede ser designado como variador de velocidad. Motivos para emplear variadores de velocidad.

El control de procesos y el ahorro de la energa son las dos de las principales razones para el empleo de variadores de velocidad. Histricamente, los variadores de


velocidad fueron desarrollados originalmente para el control de procesos, pero el ahorro energtico ha surgido como un objetivo tan importante como el primero.

1 Motivos para emplear variadores de velocidad. o 1.1 velocidad como una forma de controlar un proceso o 1.2 Fomentar el ahorro de energa mediante el uso de variadores de

velocidad

2 Tipos de variadores de velocidad o 2.1 Variadores mecnicos o 2.2 Variadores hidrulicos o 2.3 Variadores elctrico-electrnicos

3 Variadores de velocidad elctrico-electrnicos o 3.1 Variadores para motores de CC o 3.2 Variadores por corrientes de Eddy (corrientes parasitas)

Aplicaciones de los variadores en bombas y ventiladores, velocidad como una forma

de controlar un proceso.

Entre las diversas ventajas en el control del proceso proporcionadas por el empleo de

variadores de velocidad destacan:

Operaciones ms suaves.

Control de la aceleracin.

Distintas velocidades de operacin para cada fase del proceso.

Compensacin de variables en procesos variables.

Permitir operaciones lentas para fines de ajuste o prueba.

Ajuste de la tasa de produccin.

Permitir el posicionamiento de alta precisin.

Control del Par motor (torque).


CMO FUNCIONAN LOS VARIADORES CON DISPOSITIVOS ELECTRNICOS?

Los variadores electrnicos funcionan como interruptores, es decir permiten el paso

de corriente o la cortan muchas veces por segundo (se denomina frecuencia). Al

comienzo de la aceleracin predominan las veces que el paso de corriente est

cortado sobre las que se permite que pase, al ir acelerando aumenta el nmero de

veces que se permite el paso de corriente sobre el de las veces que se corta, y al final

del recorrido del gatillo o palanca del acelerador, el variador permitir el paso de toda

la corriente. Como dijimos esta funcin de corte-encendido de la corriente se hace

muchas veces por segundo [se expresa en Herzs (Hz)], por lo que no se notar en la

marcha del coche.

ESTRUCTURA FSICA

Constan de una caja en donde se aloja toda la electrnica, de ella salen una serie de

cables. Dos de ellos van a la batera de la que se alimentan y otros dos van al motor,

aunque en algunos casos salen del variador 3 cables en lugar de 4, debido a que uno,

el positivo, es comn para la batera y el motor. Tambin salen del variador una serie

de 3 cables de pequeo dimetro (negativo, positivo y seal) que han de ser

conectados al canal 2 del receptor de radio. Otro cable pequeo y aislado se utiliza

para alimentar un servo rpido FET, en el caso de que utilicemos uno de este tipo en

el coche. Otros dos cables pequeos y de corta longitud son para cortocircuitar el

regulador interno en caso de que usemos slo 4 5 bateras.

Variador de velocidad electrnico

FRECUENCIA

Como dijimos los variadores electrnicos se basan en la funcin interruptor. El nmero

de veces que ste se enciende y apaga por segundo se denomina frecuencia y se

expresa en Hercios (Hz). Los primeros variadores daban una frecuencia de 50-60 Hz

pero los actuales llegan a dar hasta 7500 Hz y se denominan de alta frecuencia.


Cuanto mayor sea la frecuencia mayor ser la progresividad y por tanto la suavidad de

funcionamiento.

MOTIVOS PARA EMPLEAR VARIADORES DE VELOCIDAD.

El control de procesos y el ahorro de la energa son las dos de las principales razones para el empleo de variadores de velocidad. Histricamente, los variadores de velocidad fueron desarrollados originalmente para el control de procesos, pero el ahorro energtico ha surgido como un objetivo tan importante como el primero.

FOMENTAR EL AHORRO DE ENERGA MEDIANTE EL USO DE VARIADORES DE

VELOCIDAD

Un equipo accionado mediante un variador de velocidad emplea generalmente menor energa que si dicho equipo fuera activado a una velocidad fija constante. Los ventiladores y bombas representan las aplicaciones ms llamativas. Por ejemplo, cuando una bomba es impulsada por un motor que opera a velocidad fija, el flujo producido puede ser mayor al necesario. Para ello, el flujo podra regularse mediante una vlvula de control dejando estable la velocidad de la bomba, pero resulta mucho ms eficiente regular dicho flujo controlando la velocidad del motor, en lugar de restringirlo por medio de la vlvula, ya que el motor no tendr que consumir una energa no aprovechada.

UNIDAD 4

CONTROL ELECTRNICO DE MOTORES A PASOS


4.1 INTRODUCCIN MAGNETISMO

El magnetismo se define como una propiedad peculiar poseda por ciertos materiales mediante el cual se pueden repeler o atraer mutuamente con naturalidad de acuerdo con determinadas leyes.

Adems podemos decir, que el magnetismo es una forma elemental de fuerza generada por el movimiento orbital de los electrones alrededor del ncleo, que luego produce el efecto del magnetismo. Cada electrn crea un campo magntico dbil, los que al juntarse con otros crean un campo magntico intenso (es el caso de los imanes).

El magnetismo es en realidad una fuerza que no se puede ver aunque se pueden observar sus efectos en otros materiales.

ELECTROMAGNETISMO

Es el Campo Magntico generado o producido por una corriente elctrica, donde el

dedo pulgar de la mano indica la direccin de la corriente y el sentido del flujo

magntico los dedos restantes. (Regla de la mano izquierda)

Motor

Transforma la energa elctrica en energa mecnica (par o torque) por la fuerza de

atraccin y repulsin entre las espiras (embobinados de cables conductores) del rotor

y estator, que contienen las lneas de fuerza electromagntica.


Principio de funcionamiento de un motor

Tanto motores de corriente alterna como motores de corriente directa se basan en el

mismo principio de funcionamiento, el cul establece que si un conductor por el cul

circula una corriente elctrica se encuentra dentro de la accin de un campo

magntico, ste tiende a desplazarse perpendicularmente a las lneas de accin del

campo magntico.

El conductor tiende a funcionar como un electroimn debido a la corriente elctrica que

circula por el mismo adquiriendo de esta manera propiedades magnticas, que

provocan, debido a la interaccin con los polos ubicados en el estator, el movimiento

circular que se observa en el rotor del motor.

Partiendo del hecho que cuando pasa corriente elctrica por un conductor se produce

un campo magntico, adems si lo ponemos dentro de la accin de un campo

magntico potente, el producto de la interaccin de ambos campos magnticos hace

que el conductor tienda a desplazarse produciendo as la energa mecnica. Dicha

energa es comunicada al exterior mediante un dispositivo llamado eje.

Ley universal del Electromagnetismo

Polos iguales se repelen y polos contrarios se atraen.

Ley de Coulomb

Mediante una balanza de torsin, Coulomb encontr que la fuerza de atraccin o

repulsin entre dos cargas puntuales (cuerpos cargados cuyas dimensiones son

despreciables comparadas con la distancia r que las separa) es inversamente

proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.


El valor de la constante dielctrica, de proporcionalidad depende de las unidades en

las que se exprese F, q, q y r. En el Sistema Internacional de Unidades de Medida

vale 910-9 Nm2/C2, (Newton, metros cuadrados, Couloms al cuadrado).

Resumen: La fuerza de atraccin o repulsin entre dos cargas (medidas en Coulumbs)

es directamente proporcional a la carga elctrica de cada una de ellas, e inversamente

proporcional al cuadrado de su distancia que las separa por una constante dielctrica.

(Vaci, aire, aceite, gas, etc.).

.

El electroscopio

El electroscopio consta de dos lminas delgadas de oro o aluminio A que estn

fijas en el extremo de una varilla metlica B que pasa a travs de un soporte C

de ebonita, mbar o azufre. Cuando se toca la bola del electroscopio con un

cuerpo cargado, las hojas adquieren carga del mismo signo y se repelen siendo

su divergencia una medida de la cantidad de carga que ha recibido. La fuerza de

repulsin electrosttica se equilibra con el peso de las hojas.

Un modelo simplificado de electroscopio consiste en dos pequeas esferas de masa m cargadas con cargas iguales q y del mismo signo que cuelgan de dos hilos de longitud d, tal como se indica la figura. A partir de la medida del ngulo que forma una bolita con la vertical, se calcula su carga q.

Sobre una bolita actan tres fuerzas

El peso mg

La tensin de la cuerda T

La fuerza de repulsin elctrica entre las bolitas F en

equilibrio


Regla de la Mano Derecha

El dedo ndice indica el campo magntico, el dedo medio la corriente y el dedo pulgar

la direccin.

Esta regla seala que se usa el pulgar para representar el movimiento del conductor

sobre el campo, el cual es un movimiento perpendicular hacia arriba, el ndice

representa la direccin del campo magntico y el dedo medio representa la direccin

de la corriente, tal como se muestra en la figura 4.1.

Figura 4.1. Grfica de un conductor en movimiento por la accin del campo

Magntico

Regla de la Mano Izquierda El dedo pulgar indica la direccin de la corriente y todos los dems dedos encorvados

indican el campo magntico.

Motor sncrono

Estos motores funcionan a una velocidad fija proporcional a la frecuencia de la

corriente alterna aplicada. Algunos tipos de motor sncrono son los llamados motores

de histresis.

APLICACIONES DE LOS MOTORES

Los motores se pueden utilizar para muchas cosas: Las aplicaciones para los motores

normalmente son para los electrodomsticos que requieren de grandes motores. Los

motores que se emplean para las lavadoras son los de corriente alterna. Los cohetes

teledirigidos, las batidoras, los casetes, el motor de arranque del coche, los


ascensores, algunos tipos de trenes de elevacin magntica, las lavadoras, el

ventilador del coche, son algunos ejemplos de motores que nos podemos encontrar.

4.2 CONTROL DE LOS MOTORES PASO A PASO

Motor Paso a Paso

Trabaja bajo el principio de atraccin y repulsin (ley universal del magnetismo). El rotor del motor tiene polaridad permanente y fija; y la polaridad del estator se puede seleccionar o variar por medio de pulsaciones u operaciones lgicas (0 y 1). Esta polaridad del estator es la que nos va a dar el sentido de giro. Por lo tanto el motor de paso a paso es un dispositivo electromecnico que convierte una serie de impulsos elctricos en desplazamientos angulares discretos, lo que significa es que es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control. El motor paso a paso se comporta de la misma manera que un convertidor digital-analgico y puede ser gobernado por impulsos procedentes de sistemas lgicos. Este motor presenta las ventajas de tener alta precisin y repetibilidad en cuanto al posicionamiento. Entre sus principales aplicaciones destacan como motor de frecuencia variable, motor de corriente continua sin escobillas, servomotores y motores controlados digitalmente.

Para realizar el control de los motores paso a paso, es necesario generar una secuencia determinada de impulsos. Adems es necesario que estos impulsos sean capaces de entregar la corriente necesaria para que las bobinas del motor se exciten, por lo general, el diagrama de bloques de un sistema con motores paso a paso es el que se muestra en la Figura 4.2.

Figura 4.2. Diagrama de Bloques de un sistema con motor paso a paso


Principio de funcionamiento.

El motor paso a paso est constituido, como la mayora de motores elctricos, esencialmente de dos partes:

Una parte fija llamada "estator, construida a base de cavidades en las que van depositadas las bobinas que excitadas convenientemente formarn los polos norte-sur de forma que se cree un campo magntico giratorio.

Una parte mvil, llamada "rotor" construida bien con un imn permanente o bien por un inducido ferromagntico, con el mismo nmero de pares de polos que el contenido en una seccin de la bobina del estator; este conjunto va montado sobre un eje soportado por dos cojinetes que le permiten girar libremente.

Si por el medio del control que sea (electrnico, informtico, etc...), conseguimos excitar el estator creando los polos N-S, y hacemos variar dicha excitacin de modo que el campo magntico formado efecte un movimiento giratorio, la respuesta del rotor ser seguir el movimiento de dicho campo, producindose de este modo el giro del motor.

Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posicin o bien totalmente libres. Si una o ms de sus bobinas estn alimentadas, el motor estar enclavado en la posicin correspondiente y por el contrario quedar completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.

La construccin de un motor prctico consiste en un estator de dos electroimanes con un nmero n de pares de polos cada uno. Los polos norte y sur de cada uno estn desplazados entre s medio paso polar, al tiempo que entre los dos electroimanes existe un desplazamiento de un cuarto de paso polar, entre polos del mismo nombre. El rotor de imn permanente se magnetiza con el mismo nmero de polos de uno de los electroimanes del estator. La interaccin entre los polos del estator y los del rotor hace que, al aplicarse dos ondas cuadradas, desfasadas un cuarto de perodo entre s, a las dos bobinas de los electroimanes, el rotor gire un cuarto de paso polar por cada cambio de polaridad de la tensin aplicada a las bobinas. As, para un motor con doce pares de polos por bobina del estator, se producirn 48 pasos con doce pares de polos por bobina del estator, se producirn 48 pasos por revolucin, es decir, 7.5 por paso (360 grados / 48 pasos = 7.5 grados, 360 / 7.5 = 48 pasos). Los valores de ngulos ms usuales con sus respectivos pasos son:


Tipos de Motores Paso a Paso:

1. De imn permanente: Est formado por un estator de forma cilndrica, con un cierto nmero de bobinados alimentados en secuencia, que crean un campo magntico giratorio de manera discontinua. El rotor, concntrico con el estator y situado sobre el eje, contiene un imn permanente magnetizado, que en cada instante tender a alinearse con el campo magntico creado. Su principal ventaja es que su posicionamiento no vara aun sin excitacin y en rgimen de carga debido a la atraccin entre el rotor y los entrehierros del estator. 2. De reluctancia variable. (Iinducido ferromagntico) El estator presenta la forma habitual, con un nmero determinado de polos electromagnticos. Sin embargo, el rotor no es de imn permanente sino que est formado por un ncleo de hierro dulce de estructura cilndrica pero con un cierto nmero de dientes tallados longitudinalmente a lo largo de su superficie lateral. Cuando una corriente circula a travs del bobinado apropiado, se desarrolla un momento que hace que el rotor gire a la posicin en la cual la reluctancia (reactancia inductiva) del circuito sea mnima. Cuando se hace pasar una corriente a travs de otro bobinado, el punto de reluctancia mnima se genera en otra posicin, produciendo el giro del rotor a esa nueva posicin.

3. Hbridos. (Mezclados) Son combinacin de los dos tipos anteriores; el rotor suele estar constituido por anillos de acero dulce dentado en un nmero ligeramente distinto al del estator y dichos anillos montados sobre un imn permanente dispuesto axialmente. Se obtienen importantes pares de accionamiento, un gran nmero de pasos por vuelta y una frecuencia de trabajo elevada.

Secuencia del tipo wave drive:


En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez. En algunos motores esto brinda un funcionamiento ms suave. La contrapartida es que al estar solo una bobina activada, el torque de paso y retencin es menor.

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

A continuacin se puede apreciar la secuencia animada en modo wave drive:

Paso 1; la bobina

1 esta activada,

atrayendo los

cuatro dientes

superiores

imantados del

rotor.

Paso 2; la bobina 1

se apaga, y la

bobina 2 (derecha)

se activa, moviendo

los dientes

cercanos a la

derecha. Resulta

una rotacin de

3.6.

Paso 3; De nuevo

la bobina 2 se

apaga, y la bobina

3 se activa.

Resulta otra

rotacin de 3.6.

Paso 4; La activacin

de la bobina 4 permite

de nuevo la rotacin

de 3.6. Cuando la

bobina 1 se cargue de

nuevo, un diente habr

permutado su posicin

a la derecha; como

hay 25 dientes, se


necesitaran 100 pasos

para un giro completo.

Secuencia de funcionamiento por Voltajes.

Obsrvese como la variacin de la direccin del campo magntico creado en el estator

producir movimiento de seguimiento por parte del rotor de imn permanente, el cual

intentar alinearse con campo magntico inducido por las bobinas que excitan los

electroimanes (en este caso A y B). Vcc es la alimentacin de corriente continua (por

ejemplo; 5V, 12V, 24V...)

Tabla de orden de fases. En este caso concreto el motor tendr un paso angular de 90 y un semipaso de 45 (al excitarse ms de una bobina)

Paso Terminal 1 Bobina A

Terminal 2 Bobina A

Terminal 1 Bobina B

Terminal 2 Bobina B

Imagen

Paso 1 +Vcc -Vcc

(Semi-)Paso 2 +Vcc -Vcc +Vcc -Vcc

Paso 3 +Vcc -Vcc


(Semi-)Paso 4 -Vcc +Vcc +Vcc -Vcc

Paso 5 -Vcc +Vcc

(Semi-)Pa

electronica digital

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