TEMA 4 – TRANSDUCTORES: SENSORES Y ACTUADORES

1 - SENSORES RESISTIVOS 1.1 - Detectores de temperatura resistivos (RTD)

Este tipo de sensores (cuyas siglas corresponden a Resistive Temperature Detector) se basan en una propiedad de algunos metales, que hace que su resistencia varíe en función de la temperatura a la cual se ven sometidos. Muchas veces, esta variación es lineal. Los metales que se suelen utilizan son el Pt (Platino), y el Ni (Níquel). Pueden ser de dos tipos:

NTC (Negative Temperature Coefficient) en el caso de que la resistencia disminuya con el aumento de temperatura.

PTC (Positive Temperature Coefficent) en caso contrario, es decir, su resistencia aumenta a medida que aumenta la temperatura.

La resistencia de la RTD se caracteriza como:

R = R0(1 + α∆T) (PTC) R = R0(1 - α∆T) (NTC) ∆T = (T - T0) = (T - 273)

donde la temperatura a que se encuentra la RTD se expresa en grados Kelvin. De esta forma, cuando T = 273K (0 ºC), entonces tenemos que R = R0, por lo que R0 es la resistencia a cero grados centígrados. La sensibilidad (S) es la pendiente de la curva de calibración:

R(T) = R0(1 + α(T - T0)) = R0 + R0α(T - T0) = R0 + R0αT - R0αT0

dR(T)/dT = R0 α En concreto para la RTD no utilizamos este resultado, sino

S = (d R(T)/dT)/R0 = α El parámetro α se denomina coeficiente de temperatura. 1.1.1 - Ajuste

El principal problema que plantean este tipo de sensores consiste en que, en caso de montarlos a distancia del circuito de control, la resistencia del cable empleado contribuye a modificar la resistencia del propio sensor alterando el valor medido. Ello

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obliga a recalibrar el sensor una vez instalado para compensar adecuadamente esta desviación. Otra posibilidad para compensar esta desviación consiste en emplear un conexionado de cuatro hilos en lugar de dos, como el mostrado en la Figura 1. Con esto se consigue que la corriente que fluye a través de los cables de conexión del sensor con la unidad de control (medida) sea insignificante y que apenas contribuya a modificar la medición que resultará, por tanto, prácticamente independiente de la longitud de cable empleada. Para que se dé esta circunstancia es necesario que la impedancia de entrada del instrumento de medida Rinstr sea mucho mayor que la resistencia del sensor.

Figura 1 – Uso de un conductor de 4 hilos para eliminar la contribución de la resistencia del cable

1.2 - Termistores

El termistor también varía su resistencia eléctrica en función de la temperatura, como la RTD, pero con la diferencia de que esta variación no es lineal, sino exponencial. Al igual que los sensores RTD, los termistores también pueden ser del tipo NTC o del tipo PTC.

)11(

00TT

BeRR

−

= Otra diferencia es que T0 no es la temperatura a cero grados centígrados, sino que es la temperatura ambiente expresada en grados Kelvin :

T0 = 25 ºC = 273 + 25 = 298 K

Cuando T = 298K (25 ºC), entonces tenemos que R = R0, por lo que R0 es la resistencia a temperatura ambiente (25 ºC). Para el termistor no se suele emplear la definición habitual de sensibilidad, sino que al igual que sucede con las RTD se emplea una sensibilidad relativa a la resistencia del propio termistor, lo cual podría considerarse una normalización:

2

20

)(

TB

RdT

TdR

S −==

La dependencia no lineal del valor de la resistencia del termistor con la temperatura hace aconsejable emplear montajes que permitan obtener cierto grado de linealidad. 1.2.1 – Linealización del termistor mediante resistencia en paralelo

Se puede aumentar la linealidad de un termistor añadiendo una resistencia en paralelo de valor R. La resistencia resultante Rp presenta una linealidad mayor y una menor dependencia con la temperatura, es decir, una menor sensibilidad. El valor de la resistencia equivalente del conjunto termistor-resistencia en paralelo sería (llamando RT a la resistencia del termistor):

T

Tp RR

RRR+

=

donde puede apreciarse que, aunque la función RT es exponencial, al figurar tanto en el numerador como en el denominador, el comportamiento del circuito resultante se ha linealizado considerablemente. La sensibilidad pasará a corresponder a la variación de Rp (la resistencia equivalente), que podemos expresar como la derivada de Rp respecto de la temperatura T, y por lo tanto:

dTdR

RRR

dTdR T

T

p ⋅+

= 2

2

)(

Como podemos ver, la variación respecto de la temperatura de la resistencia equivalente es menor que la del termistor sin linealizar, dado que el factor

2

2

)( TRRR+

es siempre menor que la unidad. Por otro lado, la resistencia equivalente Rp es más lineal respecto de la temperatura. Ganamos en linealidad, pero a costa de reducir la sensibilidad. 1.2.2 – Linealización del termistor mediante divisor de tensión

En este caso se confecciona un divisor de tensión conectando en serie el termistor y una resistencia R y alimentando el conjunto con una fuente de tensión V tal como muestra la Figura 2.

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Figura 2 – Linealización del termistor mediante divisor de tensión

La tensión de salida Vs la medimos precisamente en la resistencia R (es decir, será la caía de tensión producida por esta resistencia ya que se encuentra conectada a la referencia de potencial):

)()( 0

)11(

00 TfReRTR TT

B==

−

Denominando f(T) a la expresión exponencial para simplificar:

VTkf

VTf

RRV

RTfRRVs 1)(

1

1)(

1)( 00 +

=+

=+

=

donde hemos definido k como R0/R y será el parámetro que modelará la forma de la curva linealizada. A medida que aumenta el valor de k, la curva característica del termistor pasa a ser más lineal pero, como en el caso anterior, a costa de perder sensibilidad. Tenemos que:

VTFVTkf

Vs )(1)(

1=

+=

donde, nuevamente para simplificar, hemos llamado F(T) a la fracción que, además, representa la sensibilidad del sistema. Normalmente se pretenderá que 0 . A partir de esto, se fijará k de forma que el comportamiento del termistor sea lo más lineal posible en el intervalo de temperaturas en que se empleará.

1)( ≤≤ TF

1.3 - Potenciómetros

El potenciómetro lo podemos ver como dos resistencias, una de valor Rpx (donde ) y la otra de valor Rp (1 - x) = Rp α. Evidentemente, cuando se utiliza como

resistencia variable, es decir, empleando solamente una de sus dos ramas (en cuyo caso se denomina reostato), no hace falta hacer los cálculos con ambos valores sino que basta utilizar uno de los dos, por ejemplo Rpx.

10 ≤≤ x

Este efecto se consigue mecánicamente montando un cursor deslizante que recorre una resistencia de valor fijo Rp (habitualmente consistente en una película de material conductor) dividiéndola en dos partes complementarias, como muestra la Figura 3.

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Figura 3 – Esquema de un potenciómetro

Existen gran variedad de potenciómetros dependiendo de la aplicación a que se destinan. Ello implicará determinadas características relativas a la precisión, potencia admitida, durabilidad, resistencia mecánica de giro, número de vueltas, tipo de mecanismo, etc. A continuación se presenta una clasificación en función de diferentes criterios. Atendiendo al desplazamiento del cursor pueden ser:

Circulares: El desplazamiento del cursor se consigue girando un eje al que está unido. Con el movimiento, el cursor recorre la resistencia que posee forma circular.

Lineales: El cursor realiza un movimiento rectilíneo a lo largo de una guía. Existe la posibilidad de que el mecanismo que acciona el cursor consista en un tornillo y que, por lo tanto, el movimiento del mando del cursor sea circular mientras que el desplazamiento de éste es lineal.

Las técnicas empleadas para obtener la pista conductora que el cursor recorrerá se reducen a dos posibilidades:

Película depositada: Sobre un soporte aislante se deposita una película formando una pista que será recorrida por el cursor. Es posible obtener potenciómetros de tamaño muy reducido. Permiten una regulación continua.

Bobinados: En este tipo la resistencia se obtiene arrollando un cable conductor (con una conductividad no muy elevada para que el cable no tenga que ser muy largo) alrededor de un soporte aislante (cerámico, plástico, etc). Soportan corrientes elevadas pero su tamaño es muy grande. Además la resistencia obtenida no es regulable de forma continua, sino en incrementos del valor de la resistencia de una espira. Como inconveniente específico cabe destacar una elevada inductancia debida a su forma de bobina, que les hace inadecuados para señales de alta frecuencia.

Las cuales, combinadas con diferentes materiales de la pista conductora darán lugar a las siguientes posibilidades:

Película depositada de carbón: Están constituidas por carbón coloidal (negro de humo), mezclado en proporciones adecuadas con baquelita y plastificantes. Dan lugar a potenciómetros de reducido tamaño con escasas posibilidades de disipación de potencia (máximo 2W) y tolerancias estándar de 10% y 20%. Permiten una regulación continua. Su coste es muy reducido. Como

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desventaja específica se puede señalar una dependencia no despreciable con la temperatura del valor de la resistencia ofrecida por la película de carbón.

Película depositada metálica: Las capas de estos tipos de resistencias están formadas en base a mezclas de óxidos de estaño y antimonio depositadas sobre un soporte generalmente de vidrio. El cursor, como en las de capa de carbón, suele ser de aleaciones de cobre y oro o plata, tomando los terminales de salida en contactos metalizados practicados sobre la capa. Permiten dispar potencias algo más elevadas (hasta 4W) con unas tolerancias bajas (1%, 2% y 5%) y muy buena linealidad (0,05%). SU coste es elevado.

Película depositada tipo Cermet: La capa está constituida por mezcla aglomerada de materiales vítreos y metales nobles, depositada sobre un substrato de cerámica. Suelen presentarse en tamaños reducidos, adecuados para ajustes dada la gran precisión y linealidad que alcanzan, sobre todo los modelos lineales multivuelta. Este tipo de potenciómetros destinados a montaje en circuito impreso para permitir ajustes del mismo se denominan trimmers (sean cuales sean sus características).

Bobinados de pequeña disipación: La constitución de este tipo de resistencias es muy parecida a la de las resistencias bobinadas fijas. Suelen usar los mismos materiales, aleaciones Ni-Cu para pequeños valores de resistencia, y Ni-Cr para valores altos. Su principal aplicación es la limitación de corriente en circuitos serie, por lo que se pueden denominar reostatos, aunque la potencia que pueden aguantar no es muy elevada, por lo que también los encontraremos en aplicaciones como potenciómetros. Los valores estándar que se pueden conseguir por este método son limitados, resultando como máximo de 50 KΩ. Pueden disipar potencias de hasta 8W y se presentan en tolerancias de 5% y de 10%.

Bobinadas de potencia: Se pueden comparar a los modelos vitrificados de alta precisión de las resistencias fijas. Este tipo de resistencias son las que realmente se denominan reostatos, capaces de disipar elevadas potencias aplicadas como limitadores de corriente. El rango de valores que se puede obtener es limitado, dependiendo de la potencia máxima a disipar y puede ser de como máximo de 5 KΩ para 100W y 10 KΩ para 250W si bien la potencia disipada puede llegar a los 1000W y su temperatura máxima de funcionamiento a los 200 ºC. Se presentan en tolerancias de 5% y de 10%.

Bobinadas de precisión: En este tipo se usan aleaciones metálicas de pequeña resistividad (Au-Ag) en lugar de aumentar el diámetro del hilo y así conseguir pequeños valores con reducidas dimensiones. Por sus aplicaciones, a este tipo se les suele denominar trimmers bobinados. Llegan a disipar potencias de 1,5W, con valores de resistencia limitados a un máximo de 100KΩ y tolerancias de 1% y de 5%. Se pueden presentar en montajes multivuelta con una resolución de 0’0001 Ω.

El comportamiento respecto de la linealidad puede ser, como se muestra en la Figura 4:

Lineal: El valor de resistencia obtenido es proporcional a la posición del cursor con una constante de proporcionalidad que le confiere comportamiento lineal.

Logarítmico: La relación entre la posición del cursor y la resistencia obtenida es logarítmica, de forma que la posición del cursor es proporcional al logaritmo

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de la resistencia. Este tipo de potenciómetros son de utilidad cuando actúan sobre la frecuencia o la amplitud de una señal acústica, ya que el oído humano percibe ambas magnitudes de forma logarítmica y eso hace que la acción sobre el potenciómetro nos parezca lineal. Se obtienen depositando una película de grosor variable.

Antilogarítmico: Para conseguir el efecto contrario al del caso anterior. Log-Antilog: Presenta comportamiento logarítmico en una mitad del recorrido

del cursor y antilogarítmico en la otra mitad, resultando coincidir en su valor medio con uno de comportamiento lineal.

Figura 4 – Comportamientos de un potenciómetro respeto de la linealidad

1.4 - Galgas extensiométricas

Sirven para medir la presión o el esfuerzo aplicado, y se basan en que al someter la galga a presión se produce en ella una variación de su longitud y el diámetro de su sección, y por lo tanto, varía su resistencia eléctrica. Debido a esto, la resistencia que presentará la galga extensiométrica corresponderá a un valor inicial R0 más un incremento debido a la deformación ∆R, de forma que:

)1(00 xRRRR +=∆+=

donde R0 es nuevamente la resistencia a temperatura ambiente, normalmente considerada de 25 ºC = 298 K. A su vez, x representa el incremento de resistencia

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sufrido por la galga como consecuencia de la deformación, empleando como unidad la resistencia de la galga en reposo.

Figura 5 – Puente de Wheatstone para galga extensiométrica

Para que exista linealidad debe cumplirse que x << k+1. Dado que ello implica que las modificaciones en la resistencia de la galga son extremadamente pequeñas, se emplea el método del Puente de Wheatstone para su medición, ya que aporta una gran sensibilidad y precisión en la medida. La Figura 5 muestra un ejemplo de dicha configuración cuya razón de ser radica en la comparación del divisor de tensión formado por las resistencias R1 y R4 con el formado por R2 y R3 (la galga extensiométrica). La relación que cumplirán las resistencias que forman el puente cuando éste se encuentre equilibrado será:

3

2

4

1

RR

RR

=

Dado que R1, R2 y R4 son resistencias conocidas, se puede despejar el valor de la resistencia de la galga como:

1

423 R

RRR ⋅=

La sensibilidad, a su vez, vendrá dada por la expresión:

3dRdVS s=

Pero para que esto se cumpla es imprescindible que el puente se encuentre equilibrado, para lo cual habrá que modificar el valor de una de las resistencias conocidas y mantener el equilibrio cuando R3 varíe. Otra opción consiste en emplear una configuración que se encuentre en equilibrio en una situación “de reposo” y que entregue una señal proporcional a la variación de la resistencia R3. Para que la relación de proporcionalidad sea lineal se puede emplear un montaje como el mostrado en la Figura 6.

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Figura 6 – Linealizador para puente de Wheatstone

Supóngase, para simplificar, que R1=R2=R4=R0. La entrada no inversora del operacional (v+) está conectada directamente al divisor de tensión formado por R1 y R4 que son

iguales, por lo cual refvv21

=+ . El resto del circuito consiste en una fuente de tensión

conectada mediante R2 a la entrada inversora del operacional (v-) y una realimentación entre ésta y la salida vout. Considerando que la corriente que recorre R2 es la misma que recorre R3 (empleando la técnica habitual de análisis de amplificadores inversores con operacionales) el comportamiento de este circuito puede expresarse como:

32 )1(00R

outrefR I

xRvv

Rvv

I =+

−=

−= −−

expresión de la cual se puede despejar vout para obtener:

refout vxv2−

=

que constituye una dependencia lineal del voltaje de salida del circuito con la variación del valor de la resistencia de la galga extensiométrica. 1.5 - Fotorresistencias

La LDR (Light Dependent Resistor), también conocida como fotorresistencia o fotoconductor, es un sensor cuya resistencia eléctrica varía en función de la intensidad de luz que recibe. El funcionamiento de este semiconductor se basa en que al incidir fotones sobre el dispositivo, entonces el semiconductor los absorbe en forma de energía, de manera que los electrones de la banda de valencia saltan a la de conducción, siempre que la luz incidente tenga la suficiente frecuencia, o en otras palabras, la suficiente energía. El resultado es, por lo tanto, la disminución de la resistencia eléctrica del dispositivo, dado que el electrón libre (y el hueco asociado) se genera en la banda de conducción. Podemos dividir las fotorresistencias en dos tipos, que son los dispositivos intrínsecos, y los extrínsecos.

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En el caso de los intrínsecos, los únicos electrones que tienen la capacidad de saltar a la banda de conducción están situados en la banda de valencia, y necesitan una elevada energía para pasar a la banda de conducción. Los extrínsecos se dopan con impurezas, por lo que los electrones adquieren una energía inicial mayor que en el caso intrínseco, y por lo tanto, es necesaria una energía (frecuencia, intensidad) menor para pasar a la banda de conducción. La resistencia LDR se caracteriza como:

α−= AER donde: R Resistencia de la LDR A, α Dependen del semiconductor utilizado E Densidad superficial de energía recibida 1.6 - Otros transductores resistivos

Existen otros tipos de sensores resistivos aunque por su limitado uso pueden considerarse más exóticos que los vistos. Se comentan a continuación magnetorresistencias e higrómetros resistivos.

1.6.1 - Magnetorresistencias

Se trata de dispositivos cuya resistencia varía en función de la dirección e intensidad del campo magnético en que se encuentran inmersos. Normalmente se emplean como detectores de presencia combinados con imanes fijos o con electroimanes y con una circuitería de comparación que genera una salida todo-nada.

1.6.2 - Higrómetros resistivos Están compuestos por un sustrato cerámico aislante sobre el cual se deposita una matriz de electrodos. Estos electrodos se cubren con una sal sensible a la humedad embebida en una resina (polímero). La resina se recubre entonces con una capa protectiva permeable al vapor de agua. A medida que la humedad penetra la capa de protección, el polímero resulta ionizado y estos iones se movilizan dentro de la resina aumentando su conductividad. El porcentaje de humedad relativa del ambiente puede entonces obtenerse midiendo la resistencia del sensor. Para ello se emplean tanto métodos basados en corriente continua (puente de Wheatstone) como alterna (frecuencia resonancia de un circuito RC).

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2 - SENSORES DE REACTANCIA VARIABLE Y ELECTROMAGNÉTICOS

2.1 - Sensores capacitivos

Un condensador es un dispositivo capaz de almacenar carga eléctrica, compuesto por dos placas conductoras paralelas separadas una distancia d por un material aislante denominado dieléctrico. Se define su capacidad como la carga eléctrica que hay que almacenar en el condensador para que la diferencia de potencial entre sus dos placas sea de un voltio.

VqC =

También lo podemos definir a partir de la relación entre la superficie de las placas y la distancia entre ellas, multiplicado por la constante dieléctrica del material que separa las placas.

dSC ε=

donde:

S Área de las placas conductoras d Distancia entre placas conductoras ε Constante dieléctrica (depende del dieléctrico)

2.1.1 - Condensador variable

Un condensador variable suele consistir en un condensador con una de sus placas fija y la otra móvil. La configuración más habitual consiste en que las dos placas tienen forma de semicírculo y poseen un eje común. Haciendo girar la placa móvil se puede variar la cantidad de superficie de ambas placas que queda enfrentada y, por tanto, la capacidad del condensador resultante. Este tipo de condensadores suele emplearse para sintonizar la frecuencia de resonancia de circuitos de alterna, pero también puede utilizarse para detectar el giro de un eje en función de la capacidad.

2.1.2 - Condensador diferencial

Se trata de un sensor construido a partir de dos condensadores que comparten una misma placa central, que es móvil. Esta última será unida mecánicamente al sistema cuyo desplazamiento se desee medir. De esta forma, la placa central podrá desplazarse acercándose a una de las placas fijas mientras se aleja de la otra o viceversa. Llamando x a la distancia que la placa central se desvía de su posición de reposo, se puede expresar la capacidad de cada uno de los dos condensadores como:

xdSC+

= ε1 xd

S−

= ε2C

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Cuando este eje está en la posición central entonces x = 0, mientras que a medida que se va moviendo, va cambiando el valor de x, y por lo tanto, la capacidad de los dos condensadores asociados. Así pues, este tipo de sensor puede emplearse para medir pequeños desplazamientos lineales o vibraciones. 2.2 - Sensores inductivos

Inductancia (también denominada inductancia propia) es la propiedad de un circuito o elemento de un circuito para retardar el cambio en la corriente que lo atraviesa. El retardo está acompañado por absorción o liberación de energía y se asocia con el cambio en la magnitud del campo magnético que rodea los conductores.

En cualquier circuito, todo flujo magnético alrededor de los conductores que transportan la corriente, pasa en la misma dirección a través de la ventana formada por el circuito. Cuando el interruptor de un circuito eléctrico se cierra, el aumento de corriente en el circuito produce un aumento del flujo. El cambio del flujo genera un voltaje en el circuito que se opone al cambio de corriente. Esta acción de oposición es una manifestación de la Ley de Lenz en virtud de la cual cualquier voltaje magnético inducido se generará siempre en una dirección tal, que se opone a la acción que lo causa. La inductancia se simboliza con la letra L y se mide en henrios (H). Su representación gráfica consiste en un conductor con forma de espiras, algo que recuerda que la inductancia se debe a un conductor ligado a un campo magnético. La fuente del campo magnético es la carga en movimiento, o corriente. Si la corriente varía con el tiempo, también el campo magnético varía con el tiempo. Un campo que varía con el tiempo induce a un voltaje en cualquier conductor presente en el campo. El parámetro de circuito de la inductancia relaciona el voltaje inducido con la corriente. La magnitud del voltaje inducido en cualquier bobina, por un flujo magnético variable es proporcional al número de vueltas de la bobina y a la velocidad de variación del flujo a través de su ventana. Esta relación se conoce como Ley de Faraday. Expresada en términos matemáticos:

dtdNelφ

−=

donde: e Voltaje inducido en la bobina (V) N Número de vueltas conectadas en serie en la bobina dφ/dt Velocidad de variación

El signo negativo proviene de la Ley de Lenz, e indica que el voltaje se genera en una dirección opuesta al cambio de flujo que lo causa. Debido a su acción de oposición, el voltaje inducido magnéticamente se denomina frecuentemente fuerza contra-electromotriz. Un cambio en la magnitud o dirección de la corriente en cualquier conductor o bobina siempre establecerá un voltaje en una dirección opuesta al cambio. Por tanto la

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dirección de la tensión inducida dependerá de si la corriente está aumentando o disminuyendo. Asimismo, cualquier cambio de la velocidad del flujo de electrones en un conductor en una bobina establecerá un voltaje que podrá retardar, pero no evitar dicho cambio.

2.2.1 - Basados en una variación de reluctancia

La reluctancia puede entenderse como la resistencia de un medio al paso de la “corriente” magnética, es decir, a que lo atraviesen las líneas de fuerza de un campo magnético. Esta magnitud depende de las características del material o medio que atraviesen las líneas de campo magnético y puede registrar variaciones simplemente con que los objetos inmersos en un campo magnético se desplacen unos respecto de otros. Esta variación de la reluctancia puede originar cambio en la resistencia eléctrica del material de que está compuesto el sensor y permitir la detección del movimiento que la originó.

2.2.2 - Basados en corrientes de Foucault

El principio de funcionamiento se basa en la generación de un campo electromagnético de alta frecuencia, que es producido por una bobina resonante.

Figura 6 – Sensor de corrientes de Foucault

La bobina forma parte de un circuito oscilador, que en condiciones normales, es decir, cuando no hay en las proximidades objetos metálicos que alteren el campo magnético, genera una señal senoidal. Cuando un metal se aproxima al sensor, éste absorbe parte de la energía del campo magnético invirtiéndola en generar las corrientes superficiales denominadas de Foucault, disminuyendo la amplitud de la señal generada por el oscilador. La variación de la amplitud de la señal de salida del sensor es convertida en una señal continua, que comparada opcionalmente con un valor referencial, permite entregar un

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valor de salida del tipo todo/nada que indica la detección de proximidad por parte del sensor.

2.2.3 - Transformadores diferenciales (LVDT) El transformador lineal de voltaje diferencial (LVDT) es un dispositivo comúnmente utilizado para medir desplazamiento lineal. Todos los LVDTs consisten en una bobina estacionaria y un núcleo que puede desplazarse libremente en su interior como muestra la Figura 7. La bobina estacionaria está dividida en tres secciones: una bobina primaria central (C) y dos bobinas secundarias laterales - izquierda (I) y derecha (D) - con sus espiras arrolladas en sentidos inversos. El núcleo es de un material altamente magnético y de longitud inferior al conjunto de las bobinas para que pueda desplazarse linealmente en su interior. Cuando se aplica una señal alterna a la bobina central, se inducen sendas corrientes en las bobinas laterales a través del núcleo magnético. Cuando éste se encuentra en posición central las corrientes inducidas en las bobinas secundarias son iguales pero en fases que difieren en 180º, dados los sentidos de arrollamiento inversos de sus respectivas espiras. Así pues, uniendo las dos bobinas laterales se conseguirá que ambas corrientes se cancelen y que con el núcleo en posición central no se registre señal alguna en la salida del LVDT.

Figura 7 – Transformador lineal de voltaje diferencial

Cuando el núcleo magnético se desplaza hacia uno de los extremos de su recorrido, la corriente inducida en la bobina secundaria correspondiente es mayor que la de la otra bobina, dado que el acoplamiento inductivo es mayor. Como consecuencia de este comportamiento, en la salida del LVDT se obtendrá una corriente eléctrica de intensidad y sentido proporcionales al desplazamiento del núcleo magnético del sensor.

2.2.4 - Transformadores variables

Un transformador se denomina variable cuando uno de sus bobinados permite el cambio del número de espiras que participan en la acción transformadora. Esta modificación se realiza normalmente desplazando un cursor similar al de los potenciómetros bobinados.

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La variación de la relación de transformación implica que el voltaje de salida del transformador es proporcional a la posición del cursor selector de número de espiras. Este dispositivo se suele emplear en aplicaciones de potencia, donde las corrientes involucradas presentan valores elevados. 2.3 - Sensores electromagnéticos Se trata de dispositivos que basan su comportamiento en la relación existente entre electricidad y magnetismo, en que los campos eléctrico y magnético se inducen mutuamente según una serie de leyes enunciadas por Faraday y Lenz, entre otros.

2.3.1 - Basados en la ley de Faraday

Un ejemplo ilustrativo de la ley de Faraday es el de una espira cuadrada que atraviesa una región donde existe un campo magnético uniforme, como se muestra en la Figura 8. Es este caso se pueden observar los siguientes comportamientos:

Cuando la espira se introduce en el campo magnético, se produce una f.e.m. (fuerza electromotriz) que se opone al incremento del flujo del campo magnético a través de dicha espira y ello tiene como consecuencia la aparición de una corriente eléctrica entre los terminales de la espira.

Cuando la espira está introducida en dicha región, el flujo es constante y no se produce f.e.m. alguna

Cuando la espira sale de dicha región, el flujo a través de la espira disminuye y se produce una f.e.m. que se opone a la disminución de flujo con la consiguiente corriente eléctrica de sentido inverso a del primer punto.

Figura 8 – Representación de la Ley de Faraday

También se observa la aparición de fuerzas ( F

r) tales que cuando la espira entra o

cuando sale de dicha región, la fuerza que ejerce el campo magnético sobre la corriente inducida en la espira se opone al movimiento de la espira (Ley de Lenz). Estos fenómenos han servido para desarrollar los motores y generadores eléctricos encargados de la transformación de corriente eléctrica en movimiento y viceversa.

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2.3.2 - Basados en el efecto Hall

En un conductor, como el mostrado en la Figura 9, por el que circula una corriente, en presencia de un campo magnético perpendicular al movimiento de las cargas, aparece una separación de cargas que da lugar a un campo eléctrico en el interior del conductor perpendicular al movimiento de las cargas y al campo magnético aplicado.

Figura 9 – Representación del efecto Hall

Los sensores de efecto Hall se basan en este principio para producir pequeñas variaciones de voltaje cuando el metal en cuestión se desplaza por el interior del campo magnético. Se emplean especialmente para detectar movimiento sin contacto, por ejemplo en algunos tipos de teclados de altas prestaciones. 3 - SENSORES GENERADORES

Esta familia de dispositivos comprende todos aquellos transductores tales que, ante una magnitud determinada, generan una corriente eléctrica de intensidad o voltaje proporcional a la citada magnitud. Ello significa que no es necesario disponer de una fuente de energía eléctrica para alimentarlos, sino que ellos mismos producen esa señal que, en el peor de los casos, deberá ser amplificada para adaptarla a los niveles eléctricos del sistema de medida. 3.1 - Sensores termoeléctricos: termopares

Un termopar es un dispositivo capaz de convertir la energía calorífica en energía eléctrica su funcionamiento se basa en los descubrimientos hechos por Seebeck en 1821 cuando hizo circular corriente eléctrica en un circuito, formado por dos metales diferentes cuyas uniones se mantienen a diferentes temperaturas. Esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos metales diferentes cuando una corriente circula a través de la unión y el efecto Thompson que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperaturas. Efecto Seebeck: Cuando las uniones de dos conductores se unen por sus extremos para formar un circuito, y se colocan en un gradiente de temperatura, se manifiesta un flujo de calor y un flujo de electrones conocido como corriente de Seebeck. La fuerza electromotriz (FEM) que genera dicha corriente se conoce como fuerza electromotriz de termopar o tensión de Seebeck.

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Efecto Peltier: Descubierto por Jean C. A. Peltier en 1834, consiste en el calentamiento o enfriamiento de una unión entre dos metales distintos al pasar corriente por ella. Al invertir el sentido de la corriente se invierte también el sentido del flujo de calor. Este efecto es reversible e independiente del contacto. Depende sólo de la composición y de la temperatura de la unión. Efecto Thompson: Descubierto por William Thompson (Lord Kelvin) en 1847-54, consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo con temperatura no homogénea por el que circula una corriente. El calor liberado es proporcional a la corriente y por ello, cambia de signo al hacerlo el sentido de la corriente. Se absorbe calor si la corriente y el calor fluyen en direcciones opuestas, y se libera calor si fluyen en la misma dirección. Es decir, la fuerza electromotriz es proporcional a la temperatura alcanzada por la unión térmica. Así mismo, si se resta el calentamiento óhmico, que es proporcional al cuadrado de la corriente, queda un remanente de temperatura que en un sentido de circulación de la corriente es positivo y negativo en el sentido contrario. El efecto depende de los metales que forman la unión. La combinación de los dos efectos Peltier y Thompson, es la causa de la circulación de corriente al cerrar el circuito en el termopar. Esta corriente puede calentar el termopar y afectar la precisión en la medida de la temperatura, por lo que durante la medición debe hacerse mínimo su valor. Estudios realizados sobre el comportamiento de termopares han permitido establecer tres leyes fundamentales:

Ley del circuito homogéneo. En un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor.

Ley de los metales intermedios. Si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura 'A' a otro 'B', la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los conductores metálicos intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto directo 'A' y 'B'.

Ley de las temperaturas sucesivas. La f.e.m. generada por un termopar con sus uniones a las temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de la f.e.m. del termopar con sus uniones a T1 y T2 y de la f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a las temperaturas T2 y T3.

Por estas leyes se hace evidente que en el circuito se desarrolla una pequeña tensión continua proporcional a la temperatura de la unión de medida, siempre que haya una diferencia de temperaturas con la unión de referencia. Los valores de esta f.e.m. están tabulados en tablas de conversión con la unión de referencia a 0ºc. Hay 7 tipos de termopares conocidos como E, S, T, J, K, B y R cuya clasificación depende de la composición química de los mismos. Las combinaciones correspondientes a las denominaciones citadas se encuentran en la Tabla 1.

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TIPO METAL ‘A’ METAL ‘B’ S Platino 10% Rhodio Platino R Platino 13% Rhodio Platino B Platino 6% Rhodio Platino 13% Rhodio T Cobre Constantán J Acero Constantán K Cromel Alumel E Cromel Constantán

Tabla 1 – Tipos de termopares donde los tipos S, R y B se dice que corresponden al grupo de los metales nobles y los tipos T, J, K y E al de los metales base. A continuación se relacionan algunas de las características propias de cada uno de los diferentes tipos de termopares: Los termopares tipo R, S y E se emplean en atmósferas oxidantes y temperaturas de trabajo de hasta 1500 ºC. Si la atmósfera es reductora, el termopar debe protegerse con un tubo cerámico estanco. El termopar tipo T, tiene una elevada resistencia a la corrosión por humedad atmosférica o condensación y puede utilizarse en atmósferas oxidantes o reductoras. Puede medir temperaturas entre -200 a +260 ºC. El termopar tipo J, es adecuado en atmósferas con escaso oxígeno libre. La oxidación de el hilo de hierro aumenta rápidamente por encima de 550 ºC, siendo necesario un mayor diámetro del hilo hasta una temperatura límite de 750 ºC. El termopar tipo K, se recomienda en atmósferas oxidantes y a temperaturas de trabajo entre 500 y 1500 ºC. No debe ser utilizado en atmósferas reductoras ni sulfurosas a menos que esté adecuadamente protegido con una funda cerámica. El termopar tipo E puede usarse en vacío o en atmósfera inerte o medianamente oxidante o reductora. Este termopar posee la f.e.m más alta por variación de temperatura y puede usarse para medir temperaturas entre -200 a +900 ºC. 3.2 - Sensores piezoeléctricos

La palabra ‘piezo’ procede del griego y significa apretar, estrechar u oprimir. En 1880 Jacques y Pierre Curie descubrieron que al aplicar presión a un cristal de cuarzo se establecían cargas eléctricas en éste. Denominaros a este fenómeno “efecto piezoeléctrico”. Más tarde verificaron que aplicando un campo eléctrico al cristal, éste se deformaba, con lo cual denominaron este fenómeno “efecto piezoeléctrico inverso”. Los materiales que poseen la propiedad piezoeléctrica pueden utilizarse, por tanto, para convertir energía eléctrica en mecánica y viceversa. Tras el descubrimiento del efecto piezoeléctrico por parte de los hermanos Curie, pasaron varias décadas antes de que fuese aprovechado en los sensores ultrasónicos de radar en submarinos durante la Primera Guerra Mundial. En la actualidad se emplea el

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efecto piezoeléctrico en la fabricación de encendedores (para hacer saltar la chispa que inflamará el gas) o en sensores de básculas de precisión, mientras que el fenómeno inverso es de utilidad para la obtención de zumbadores (aplicando una tensión alterna) o para bombas de precisión (por ejemplo en los inyectores de las impresoras de chorro de tinta). 3.3 - Sensores piroeléctricos

Cuando la temperatura de un cristal varía uniformemente (se calienta o se enfría), o es sometido a una tensión unidireccional, se puede producir un desplazamiento de los iones positivos respecto de los negativos, de tal manera que el cristal se polariza eléctricamente. Este efecto se conoce como piroelectricidad en el caso de un cambio de temperatura, o piezoelectricidad si se debe a una tensión unidireccional. De hecho, el proceso que tiene lugar es similar en ambos casos, ya que al modificar la temperatura se expande o se retrae anisotrópicamente, y este ligero movimiento de los átomos unos respecto de los otros da lugar al desplazamiento de las cargas que en ciertas direcciones pueden ocasionar polarización eléctrica. 3.4 - Sensores fotovoltaicos

Los SFV (Sistemas Foto Voltaicos) tienen como elemento esencial la celda solar. La celda solar es un dispositivo de conversión directa, esto es, transforma la radiación solar directamente en electricidad (los dispositivos de transformación indirecta utilizan uno o más procesos de conversión intermedia para generar electricidad). Las celdas solares funcionan gracias al efecto fotovoltaico que, como su nombre indica, consiste en la generación de un voltaje por efecto de la luz. El efecto fotovoltaico fue descubierto en 1839 en celdas electrolíticas por Becquerel y en sólidos (Selenio) en 1877 por Adams y Day. En 1883, Fritts describió la primera celda fotovoltaica de selenio. Estas celdas se emplean aún hoy en día en instrumentos de medición de luz, debido a la similitud entre la sensibilidad espectral de esta celda y la del ojo humano. En 1930, Schottky desarrolló la teoría que sirvió para explicar el efecto fotovoltaico y Lange sugirió las celdas solares como dispositivos adecuados para la generación de electricidad. En 1932, Audubert y Stora descubrieron el efecto fotovoltaico en el CdS. Durante los años 30 y 40 se desarrolló una gran actividad investigadora con Germanio (Ge) y Silicio (Si). El efecto fotovoltaico en el Si fue descubierto por Ohl en 1941. Gracias al desarrollo de la tecnología de difusión, trece años después Pearson, Fuller y Chapin de los Laboratorios Bell desarrollaron la primera celda práctica de Silicio, con una eficiencia del 6%. Las celdas solares alcanzaron ya en 1958 una eficiencia de 14% bajo condiciones de irradiación terrestre. El esfuerzo realizado en la época estaba encaminado a mejorar la adaptación de estos dispositivos como generadores en satélites espaciales. El primer satélite dotado de celdas solares fue uno soviético lanzado en mayo de 1958, seguido dos meses después por el Vanguard I norteamericano.

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

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(Silicio amorfo) como material para celdas y se superaron varios problemas en el desarrollo de las celdas de CdTe. En la década de 1980 aumentó en general la eficiencia de diferentes tipos de celdas. El aumento de la eficiencia de las celdas de Si y módulos solares fueron posibles gracias al desarrollo de novedosos conceptos y a la aplicación de modernas tecnologías. Algunos de estos conceptos son: La texturización de la superficie de la celda, el concepto “BSF” (Back Surface Field), el “BSR” (Back Surface Reflector), el “HLE” (High-Low-Emitter) y el PESC-Concept (Passivated Emitter Solar Cell) inventado por M.A. Green. En relación con la eficiencia de las celdas solares, hay que ser cuidadoso con los resultados que se anuncian pues existe una gran diferencia entre:

Celdas de laboratorio (se trata de mini celdas de áreas generalmente inferiores a 1 cm²).

Módulos de I&D (los resultados de estos módulos no son reproducibles para grandes cantidades).

Módulos comerciales (la potencia anunciada se ha determinado antes de la estabilización de los módulos).

Recientemente, el concepto PESC ha sido mejorado y se han introducido nuevos conceptos como son PERC (Passivated Emitter Rear Contact Cell), PERL (Passivated Emitter, Rear Locally diffused cell), LG-BC (Laser Grooved-Buried Contact). Con estas tecnologías se han alcanzado eficiencias récord de celdas de Si-c (Silicio Cristalino) de 24,2% y de módulos de 20,5%. 4 - SENSORES DIGITALES

Este tipo de sensores se caracterizan porque su señal de salida es directamente utilizable por un dispositivo digital, sin adaptaciones ni conversiones. 4.1 - Codificadores de posición

También denominados encoders, son dispositivos que transforman un desplazamiento o rotación en una información digital de valor numérico proporcional al citado desplazamiento. Dependiendo del tipo de aplicación, puede resultar necesario conocer la posición del elemento móvil (cursor o eje giratorio) o simplemente su desplazamiento respecto de la última posición referenciada. Ello da lugar a dos tipos de codificadores.

4.1.1 – Incrementales o relativos

Un detector incremental simplemente informa al sistema digital de que se produce un desplazamiento o rotación en el elemento móvil, aportando información de la cuantía del mismo. Dependiendo de la aplicación se proporcionará información del sentido de desplazamiento o no. Un ejemplo de codificador de posición digital incremental sin información de dirección puede ser un sensor del giro de una rueda para un sistema ABS (Anti-lock Braking

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System) cuyo cometido consiste en impedir que el sistema de frenos actúe con demasiada fuerza sobre la rueda con el consiguiente bloqueo de la misma y pérdida de direccionabilidad del vehículo. En este caso, solamente es necesario conocer la velocidad de giro de la rueda y es indiferente que ésta gire hacia delante o hacia atrás, con lo cual el sensor solamente proporcionará una cantidad fija de pulsos por vuelta cuya frecuencia indicará la velocidad de giro de la rueda. En caso de que resulte de interés conocer el sentido de desplazamiento del elemento móvil (por ejemplo en un sistema de posicionamiento en coordenadas relativas) el sensor puede entregar la información con dos bits: uno que indicará el sentido de giro y otro que equivaldrá al visto anteriormente donde el desplazamiento es codificado mediante pulsos.

4.1.2 - Absolutos

En caso de que resulte necesario conocer la posición absoluta del elemento móvil (por ejemplo en el posicionamiento de una articulación de un robot) la información ofrecida por el sensor de posicionamiento puede consistir en la codificación en binario con un determinado número de bits del ángulo de giro del elemento móvil. Esto da lugar a un inconveniente que consiste en que las codificaciones en binario natural de valores decimales consecutivos difieren entre sí en más de un bit. Ello podría tener como consecuencia que el sistema digital interpretase incorrectamente la información recibida cuando el cambio de varios bits se descompone en una secuencia de cambios de un bit atravesando por tanto valores intermedios erróneos. Por ejemplo, al pasar de 1 (01) a 2 (10) cambiando los valores de los bits uno a uno, se tiene que producir el valor intermedio 3 (11) si el primer bit cambia antes que el segundo o 0 (00) si lo hace antes el segundo. Para evitar estas situaciones erróneas se ideó el código Gray que lleva el nombre de su inventor y que se presenta en la Tabla 2. Dicho código se consigue haciendo corresponder al 0 decimal el valor 0 binario y al 1 decimal del 1 binario. Para obtener codificaciones de dos bits se antepone un cero a ambos (para el 0 y el 1) y se copian los valores de 1 bit en orden inverso anteponiéndoles un 1. Repitiendo el proceso se obtiene el código Gray para cualquier número de bits. Se observa que todo valor difiere del anterior y del siguiente únicamente en un bit. Incluso el último valor de la tabla difiere del primero en un solo bit.

DECIMAL GRAY DECIMAL GRAY 0 0000 8 1100 1 0001 9 1101 2 0011 10 1111 3 0010 11 1110 4 0110 12 1010 5 0111 13 1011 6 0101 14 1001 7 0100 15 1000

Tabla 2 – Código Gray de cuatro bits

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5 - OTROS MÉTODOS DE TRANSDUCCIÓN 5.1 - Fotodiodos y fototransistores

Los fotodiodos son diodos de unión PN cuyas características eléctricas dependen de la cantidad de luz que incide sobre la unión. En la Figura 11 se muestra su símbolo circuital.

Figura 11 – Símbolo circuital del fotodiodo

El efecto fundamental bajo el cual opera un fotodiodo es la generación de pares electrón-hueco debido a la energía luminosa. Este hecho es lo que le diferencia del diodo rectificador de silicio en el que solamente existe generación térmica de portadores de carga. La generación luminosa, tiene una mayor incidencia en los portadores minoritarios, que son los responsables de que el diodo conduzca ligeramente en inversa. El comportamiento del fotodiodo en polarización inversa se ve claramente influenciado por la incidencia de luz. Conviene recordar que el diodo real presenta unas pequeñas corrientes de fuga de valor IS. Las corrientes de fuga son debidas a los portadores minoritarios, electrones en la zona P y huecos en la zona N. La generación de portadores debido a la luz provoca un aumento sustancial de portadores minoritarios, lo que se traduce en un aumento de la corriente de fuga en polarización inversa tal y como se ve en la Figura 12.

Figura 12 – Curvas características de un fotodiodo

El comportamiento del fotodiodo en polarización directa apenas se ve alterado por la generación luminosa de portadores. Esto es debido a que los portadores provenientes del dopado (portadores mayoritarios) son mucho más numerosos que los portadores de generación luminosa. Para caracterizar el funcionamiento del fotodiodo se definen los siguientes parámetros:

Se denomina corriente oscura (dark current), a la corriente en polarización inversa del fotodiodo cuando no existe luz incidente.

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Se define la sensibilidad del fotodiodo como el incremento de intensidad al polarizar el dispositivo inversamente por unidad de intensidad de luz, expresada en luxes o en mW/cm2.

KdHdlS ==

Esta relación es constante para un amplio intervalo de iluminaciones. El modelo circuital del fotodiodo en polarización inversa está formado por un generador de intensidad cuyo valor depende de la cantidad de luz recibida. En polarización directa, el fotodiodo se comporta como un diodo normal, es decir, si está fabricado en silicio, la tensión que cae en el dispositivo será aproximadamente 0,7 V. Los fotodiodos son más rápidos que las fotorresistencias, es decir, tienen un tiempo de respuesta menor. Sin embargo sólo pueden conducir corrientes relativamente pequeñas en una polarización directa. Un fotodiodo presenta una construcción análoga a la de un diodo LED, en el sentido de que necesita una ventana transparente a la luz por la que se introduzcan los rayos luminosos para incidir en la unión PN Un fototransistor, por su parte, es un transistor bipolar sensible a la luz. La radiación luminosa se hace incidir sobre la unión colector-base. En esta unión se generan los pares electrón-hueco, que provocan la corriente eléctrica. En la Figura 13 se muestra el símbolo circuital de un fototransistor, donde puede apreciarse que la conexión de base ha sido sustituida por la influencia de un haz luminoso.

Figura 13 – Símbolo circuital de un fototransistor El funcionamiento de un fototransistor viene caracterizado por los siguientes puntos:

Un fototransistor opera, generalmente sin terminal de base (Ib = 0) aunque en algunos casos hay fototransistores que tienen disponible un terminal de base para trabajar como un transistor normal.

La sensibilidad de un fototransistor es superior a la de un fotodiodo, ya que la pequeña corriente fotogenerada es multiplicada por la ganancia del transistor.

Las curvas de funcionamiento de un fototransistor son las que aparecen en la Figura 14. Como se puede apreciar, son curvas análogas a las del transistor BJT, sustituyendo la intensidad de base por la potencia luminosa por unidad de área que incide en el fototransistor:

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Figura 14 – Curva característica de un fototransistor

5.2 - Magnetodiodos y magnetotransistores

Son dispositivos equivalentes a los diodos y transistores cuyos respectivos efectos diodo y transistor se ven afectados por la presencia de campos magnéticos, al igual que a los fotodiodos y fototransistores les ocurre con la luz.

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6 - ACTUADORES ELÉCTRICOS

Una vez clasificados y analizados los diferentes tipos de sensores procederemos a repetir el proceso con los transductores que realizan la función inversa, es decir, a partir de una magnitud eléctrica nos proporcionarán actuaciones sobre el entorno (movimiento, calor, luz, etc.) 6.1 - Interruptores

Una de las necesidades de actuación de los sistemas digitales consiste en activar circuitos eléctricos de un nivel de potencia no directamente manejable con las señales internas del sistema digital (motores, calefactores, etc). Para ello es necesario disponer de actuadores cuyo cometido consista en activar o desactivar dichos circuitos eléctricos. Este tipo de dispositivos recibe el nombre de interruptores y se pueden clasificar como relés o como dispositivos de estado sólido dependiendo de le tecnología con que estén construidos.

6.1.1 - Relés

La primera técnica empleada para conseguir que una señal eléctrica de poca

potencia active o desactive un circuito de elevada potencia es el relé. Este dispositivo se basa en el aprovechamiento del electromagnetismo para actuar sobre un interruptor mecánico. Su estructura básica puede observarse en la Figura 15. Los relés pueden ser de simple, doble o múltiple circuito y poseen contactos tanto normalmente abiertos como normalmente cerrados.

Figura 15 – Estructura de un relé

Los relés presentan dos inconvenientes importantes:

Lentitud de respuesta. Dado que el contactor debe desplazarse mecánicamente para cerrar o abrir los circuitos en cada conmutación, su masa le confiere una inercia que hace que el movimiento requiera un tiempo determinado. Por tanto, el relé no puede emplearse en aplicaciones que requieran una elevada frecuencia de conmutación.

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Rebotes. Cuando se cierra el contactor y sus terminales entran en contacto, lo hacen a una elevada velocidad por lo que se produce una colisión con rebotes que tienen como consecuencia la apertura y cierre del circuito de forma repetida. Este puede ocasionar chispas mientras los terminales se encuentran muy cerca unos otros. Además, la activación del relé se traduce en una serie de aperturas y cierres del circuito. Por lo tanto, si el relé se emplea para implementar un contador, será necesario un filtro antirrebotes para que cada activación del mismo sea contabilizada una única vez.

6.1.2 - Dispositivos de estado sólido

Un dispositivo interruptor de estado sólido consiste en un circuito semiconductor basado en silicio. De hecho un transistor corresponde a este grupo y puede emplearse como interruptor utilizándolo en sus regiones de corte y saturación. No obstante, existen dispositivos específicamente diseñados para realizar este tipo de función, incluso con señales de potencia muy elevada. A continuación se describe la estructura y funcionamiento de algunos de ellos. El SCR (Silicon Controlled Rectifier) es un dispositivo de la familia de los semiconductores, al igual que transistores y diodos. Aunque no es lo mismo que un transistor o un diodo, el SCR posee características de ambos. El principal cometido del SCR consiste en la conmutación de pequeñas o grandes corrientes, función que desempeña sin necesidad de piezas móviles, permitiendo conmutar grandes potencias con señales muy pequeñas y de esta forma reemplazar interruptores mecánicos mucho más lentos y de tamaño mucho mayor. El SCR es un conmutador rapidísimo. Resulta muy difícil conseguir que un dispositivo mecánico (del tipo relé) realice algunos cientos de conmutaciones por minuto. Algunos SCR pueden conseguir más de 25.000 conmutaciones por segundo. Al igual que se aplica en los conversores D/A, la técnica de modulación de anchura de pulso (modificando el tiempo que el interruptor está cerrado y abierto) permite regular la cantidad de energía transferida a la carga en cada instante. La constitución de un SCR es similar a la de un diodo, pero su funcionamiento es una mezcla de diodo y transistor, explicándose más fácilmente si se compara con la asociación de dos de estos últimos. En la Figura 16 se muestran el símbolo del SCR, su constitución y su descomposición en un circuito equivalente formado por dos transistores.

Figura 16 – Estructura de un SCR

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En operación, el colector de Q2 ataca a la base de Q1 mientras que el colector de Q1 realimenta a la base de Q2. Siendo β1 la ganancia en corriente de Q1 y β2 la ganancia en corriente de Q2, la ganancia del ciclo será el producto de ambas, β1 · β2. Cuando este producto es menor que la unidad el circuito es estable mientras que cuando el producto supera la unidad la realimentación lleva a la saturación de ambos transistores. Una pequeña corriente negativa aplicada al terminal G llevará al transistor Q2 a la zona de corte. En estas condiciones ambos transistores estarán en la zona de corte y solamente circulará a su través una pequeña corriente de fuga, presentando el conjunto un valor elevado de impedancia. Cuando se aplica una corriente positiva al terminal G, esto hace que Q2 empiece a conducir, provocando la conducción de Q1 y una realimentación que lleva rápidamente a que se supere el factor de ganancia unidad y ambos transistores alcancen la saturación, disminuyendo drásticamente la impedancia del conjunto y permitiendo el paso de una cantidad de corriente únicamente limitada por los dispositivos externos. La Figura 17 muestra el comportamiento del SCR en función del voltaje entre sus terminales A y C y de la corriente en el terminal G.

Figura 17 – Curva característica de un SCR

Dado que el SCR posee un terminal positivo y otro negativo, solamente permite el paso de corriente en uno de los dos sentidos. Esto es particularmente inadecuado cuando se desea conmutar una corriente alterna (que, por otro lado, es la más frecuente en la industria, donde las potencias a conmutar son elevadas). Para solventar este inconveniente, se puede confeccionar un triac combinando dos SCR con polaridades invertidas y terminal G compartido, tal como se muestra en la Figura 18.

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Figura 18 – Estructura de un triac a partir de dos SCR

De esta forma, el triac permite aprovechar el ciclo completo de la corriente alterna, frente al máximo del 50% del ciclo del SCR, como puede apreciarse en la Figura 20, que corresponde a los ciclos de trabajo de un SCR y de un triac cuando participan en un circuito como el mostrado en la Figura 19.

Figura 19 – Circuito empleado para analizar el ciclo de trabajo de un SCR y de un triac

Figura 20 – Ciclos de trabajo de un SCR y de un triac

Otro dispositivo que se puede incluir en este apartado es el optoacoplador, resultado de unir en un mismo encapsulado un LED (Light Emitting Diode – Diodo emisor de luz) con un fototransistor, de forma que la luz emitida por el LED actúe directamente sobre el terminal fotosensible del fototransistor, permitiendo de esta forma que una señal de entrada aplicada al LED provoque la conmutación del circuito de salida, conectado al fototransistor, de forma que no hay ningún tipo de contacto eléctrico entre ambos circuitos, como puede apreciarse en la Figura 21.

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Figura 21 - Optoacoplador

6.2 - Solenoides

Las válvulas solenoides son dispositivos empleados para la regulación de caudal de fluidos, habitualmente en la industria. Una válvula de este tipo consta de una bobina arrollada alrededor de un núcleo metálico solidario con un elemento móvil cuyo desplazamiento obstruye en mayor o menor medida el paso de fluido a través del cuerpo de la válvula. Existen multitud de tipos de válvulas solenoides normalmente clasificadas por su posición de reposo (normalmente abiertas o normalmente cerradas) por el diámetro de su cuerpo (habitualmente especificado en pulgadas) y el número de orificios de entrada y salida de las mismas (conocidos como vías). Para que una válvula solenoide mantenga un determinado caudal es necesario que a través de su bobina circule una cantidad determinada de corriente eléctrica, por lo que el consumo de energía es no nulo salvo en la posición de reposo de la válvula, que puede ser (como ya se ha mencionado) abierta o cerrada. 6.3 - Motores

Usando el descubrimiento de Oersted de que una corriente eléctrica produce un campo magnético en el espacio alrededor del cable que la conduce Ampère logró magnetizar agujas de hierro. En 1825 el inglés William Sturgeon (1783-1850) enrolló 18 espiras de alambre conductor alrededor de una barra de hierro dulce, que dobló para que tuviera la forma de una herradura. Al conectar los extremos del cable a una batería el hierro se magnetizó y pudo levantar un peso que era 20 veces mayor que el de la propia barra de hierro. Este fue el primer electroimán, es decir, un imán accionado por electricidad. Años después, en 1829, el estadounidense Joseph Henry (1797-1878) construyó una versión mejorada del electroimán. Para ello enrolló en una barra de hierro dulce espiras en forma mucho más apretada y en un número mayor; de esta manera logró una mayor intensidad magnética. El electroimán se comporta de forma equivalente a un imán permanente, con la ventaja de que su intensidad se puede controlar, ya sea cambiando la corriente que se le hace circular o variando el número de espiras de la bobina. Además, al cesar la corriente, cuando se desconecta la batería, desaparece el efecto magnético. Como consecuencia del descubrimiento de Oersted, introduciendo en el seno de un campo magnético un conductor atravesado por una corriente eléctrica ambos campos magnéticos (el del entorno y el generado por la corriente eléctrica) interactuarán generando una fuerza cuya orientación y sentido quedan recogidos en la Ley de Lorenz. Como consecuencia del enunciado de esta ley a dichas fuerzas se les denomina fuerzas

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de Lorenz y son las que, adecuadamente aprovechadas, darán lugar a los motores eléctricos.

6.3.1 - Motores de corriente continua

Todos estos trabajos sentaron las bases para la invención del primer motor

eléctrico. Su funcionamiento es el siguiente: Supóngase que se confecciona una bobina con unas pocas espiras de cable conductor y se monta sobre un eje alrededor del cual puede girar. Si se introduce la bobina entre los polos de un imán permanente, como se muestra en la Figura 22, y se hace pasar una corriente eléctrica a su través, ésta se convierte en un imán que puede girar dentro del imán permanente. Los polos de ambos imanes ejercen fuerzas entre sí; por consiguiente, la bobina experimenta fuerzas (fuerzas de Lorentz) que la hacen girar alrededor del eje de giro. El sistema expuesto permite que la espira se oriente en la dirección del campo magnético generado por el imán permanente, pero una vez alcanzada la posición de equilibrio, permanecerá inmóvil en ella, a menos que se invierta el sentido del flujo de corriente a través de la bobina. Esto se consigue mediante las denominadas delgas que consisten en unos casquillos semicilíndricos conductores unidos entre sí por material aislante formando un cilindro. Conectando cada terminal de la bobina a una delga diferente, el giro de la espira hará que la corriente cambie de sentido con cada medio giro, manteniendo la bobina siempre desalineada de su posición de equilibrio y, por tanto, el motor en permanente rotación mientras se le aplique corriente eléctrica.

Figura 22 – Motor eléctrico de corriente continua

De esta manera es posible transformar la energía eléctrica que la batería entrega al hacer circular la corriente por la bobina, en energía mecánica para mover algún objeto. Al dispositivo que funciona de esta forma se le llama motor eléctrico. Entre las características de este tipo de motores pueden destacarse las siguientes:

Simplicidad: Es uno de los motores eléctricos más sencillos. Chispas: El hecho de que en cada vuelta se realicen dos conmutaciones de la

polaridad de la alimentación eléctrica mediante escobillas y delgas tiene

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como consecuencia la generación de chispas en dicha operación. Esto hace que no sea adecuado para su uso en atmósferas inflamables y que la carbonilla ocasionada por las chispas se deposite entre las delgas y las escobillas reduciendo la conductividad eléctrica de esta unión y la eficiencia del motor.

Giro indefinido: Mientras se aplica corriente eléctrica a su bobina, el motor de continua gira de forma indefinida, deteniéndose de forma inerte cuando ésta cesa. Esto tiene como consecuencia que no se genere ningún par cuando el eje del motor se detiene y por tanto que no sea adecuado para las aplicaciones que requieren que se conserve una determinada posición del eje aplicando un freno.

Velocidad dependiente de la carga y de la corriente: La velocidad de giro de este tipo de motores depende de la corriente aplicada en su bobina, ya que una mayor corriente producirá fuerza de Lorenz mayores y un par de giro mayor que moverá el rotor con mayor velocidad. Por otro lado, el incremento de carga del motor puede verse como un incremento del peso del rotor, lo cual tiene como consecuencia que el par de fuerzas de Lorenz muevan éste con mayor dificultad y con menor velocidad.

Potencia limitada: El imán permanente encargado de generar el campo magnético tiene una capacidad limitada, de forma que para obtener potencias considerables será necesario sustituirlo por un electroimán. Por otro lado el magnetismo se agota con el tiempo, por lo que un motor eléctrico de estas características tendrá una vida limitada.

Algunos de los defectos derivados de estas características pueden paliarse empleando motores de corriente alterna (velocidad de giro dependiente de la carga, escobillas, chispas) mientras que otras las eliminan los motores paso a paso (giro indefinido, ausencia de par con el motor inmóvil).

6.3.2 - Motores de corriente alterna

Hay dos tipos de motores eléctricos de corriente alterna: el motor síncrono y el motor a inducción. Cada uno de estos tipos puede usar corriente monofásica o trifásica. En aplicaciones industriales, los motores trifásicos son los más comunes, debido a su eficacia mayor que los motores monofásicos. El motor síncrono es mucho menos generalizado que el motor a inducción, pero se usa en unas aplicaciones especiales, que requieren una velocidad absolutamente constante o una corrección del factor de potencia. Los motores a inducción y los motores síncronos son similares en muchos aspectos pero tienen algunos detalles diferentes. El estátor de un motor CA como el mostrado en la Figura 23 contiene un número de bobinas de alambre enrollado alrededor y a través de las ranuras del mismo. Siempre hay más ranuras que bobinas y por eso las bobinas son trenzadas de manera bastante compleja. Cuando se aplica corriente a las bobinas, se genera un campo magnético rotativo dentro del estátor. La velocidad de rotación depende del número de bobinas, o del número de polos. En un motor trifásico, tres bobinas formarán 2 polos magnéticos debido a la acción de las corrientes que tienen una diferencia de fase de 120 grados entre ellas. Con una frecuencia de línea de 60 Hz, y dos polos en el estátor el ritmo de rotación del campo será de 60 ciclos por segundo o 3600 r.p.m. Si hay 4 polos (6 bobinas) el campo girará a 1800 r.p.m. y así sucesivamente.

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Figura 23 – Motor de corriente alterna

Motores síncronos Si un rotor girando que está magnetizado de manera permanente en la dirección transversal está puesto dentro del estátor, será arrastrado por atracción magnética a la velocidad a la que está girando el campo. Esta se llama la velocidad síncrona y el ensamblado es un motor síncrono como el mostrado en la Figura 24. Su velocidad está exactamente sincronizada con la frecuencia de línea. Pequeños motores síncronos se encuentran en relojes eléctricos para asegurar una medición de tiempo precisa, pero también en la industria se usan los motores síncronos. En grandes motores síncronos industriales el rotor es un electroimán y está excitado por corriente continua.

Figura 24 – Motor de corriente alterna síncrono

Una característica del motor síncrono es que si el rotor es "sobreexcitado", esto es, si el campo magnético es superior a un cierto valor, el motor se comporta como un condensador a través de la línea de corriente. Esto puede ser útil para la corrección del factor de fuerza en plantas industriales que usan muchos motores de inducción. Motores a inducción

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La diferencia entre el motor a inducción y el motor síncrono es que en el motor a inducción el rotor no es un imán permanente sino que es un electroimán. Tiene barras de conducción en todo su largo, incrustadas en ranuras a distancias uniformes alrededor de la periferia como se muestra en la Figura 25. Las barras están conectadas con anillos (en cortocircuito como dicen los electricistas) a cada extremidad del rotor. Están soldadas a las extremidades de las barras. Este ensamblado se parece a las pequeñas jaulas rotativas para ejercitar a mascotas como hámsters y por eso a veces se llama "jaula de ardillas", y los motores de inducción se llaman motores de jaula de ardilla.

Figura 25 – Motor de corriente alterna de inducción

Cada par de barras es, hablando magnéticamente, una revolución en cortocircuito. El rotor se magnetiza por las corrientes inducidas en sus barras, debido a la acción del campo magnético girando en el estátor. Mientras que el campo del estátor pasa a lo largo de las barras del rotor, el campo magnético que cambia induce altas corrientes en ellas y genera su propio campo magnético. La polaridad del campo magnético inducido del rotor es tal que repele al campo del estátor que lo creó, y esta repulsión resulta en un par de fuerza sobre el rotor que le obliga a girar. Ya que el motor de inducción funciona por repulsión magnética, en lugar de por atracción como el motor síncrono, ha sido llamado "un motor a inducción repulsiva". Si no hubiera fricción en el sistema, el rotor giraría a una velocidad síncrona, pero no produciría un par de fuerza útil. Bajo esta condición no habría movimiento relativo entre las barras del rotor y el campo rotativo del estátor, y no habría inducción de corriente en ellas. En el momento en que se aplica una carga al motor la velocidad se reduce, lo que provoca que las barras del rotor corten la líneas magnéticas de fuerza del campo del estátor y creen la fuerza de repulsión en el rotor. El campo magnético inducido en el rotor se mueve en la dirección opuesta a la rotación y la velocidad de este movimiento depende de la carga aplicada . Esto quiere decir que las r.p.m. siempre serán inferiores a la velocidad síncrona. La diferencia entre la velocidad actual y la velocidad síncrona se llama el deslizamiento. Cuanto más grande es el deslizamiento, más grande es la corriente inducida en las barras del rotor, y más grande el par de fuerza. La corriente en los bobinados del estátor también se incrementa para crear las corrientes más grandes en las barras.

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Por estas razones la velocidad de un motor de inducción siempre dependerá de la carga.

6.3.3 – Motores paso a paso

Los motores paso a paso son dispositivos electromagnéticos, rotativos, incrementales que convierten pulsos digitales en rotación mecánica. La cantidad de rotación es directamente proporcional al número de pulsos y la velocidad de rotación es relativa a la frecuencia de dichos pulsos. Los motores paso a paso son simples de operar en una configuración de lazo cerrado y debido a su tamaño proporcionan un excelente par de fuerza a baja velocidad . Los beneficios ofrecidos por estos motores incluyen :

Un diseño efectivo y un bajo costo . Alta fiabilidad Libres de mantenimiento ( no disponen de escobillas ) Lazo abierto ( no requieren dispositivos de realimentación ) Límite conocido al “error de posición dinámica “

A pesar de que varios tipos de motores por pasos han sido desarrollados, todos los mismos caen dentro de tres categorías básicas:

De reluctancia variable (VR) De magneto permanente (armazón metálica ) Híbridos

El motor de reluctancia variable o VR consiste en un rotor y un estator cada uno con un número diferente de dientes. Ya que el rotor no dispone de un magneto permanente el mismo gira libremente, o sea que no tiene torque de detención. A pesar de que la relación del torque a la inercia es buena, el torque dado para un tamaño de armazón dado es restringido, por lo tanto tamaños pequeños de armazones son generalmente usados y los mismos raramente varían para aplicaciones industriales. El motor de magneto permanente, PM o tipo enlatado es quizá el motor paso a paso más ampliamente usado en aplicaciones no industriales. En su forma más simple, el motor consiste en un rotor magneto permanente radial y en un estátor similar al motor VR Debido a las técnicas de manufactura usadas en la construcción del estátor, los mismos se conocen a veces como motores de “polo de uñas “ o claw pole en inglés. El tipo híbrido es probablemente el más usado de todos los motores paso a paso. Originalmente desarrollado como un motor PM sincrónico de baja velocidad, su construcción es una combinación de los diseños VR y PM. El motor híbrido consiste en un estátor dentado y un rotor de tres partes (apilado simple). El rotor de apilado simple contiene dos piezas de polos separados por un magneto permanente magnetizado con los dientes opuestos desplazados en una mitad de un salto de diente para permitir una alta resolución de pasos . 6.3.3.1 – Operación. Secuencia de conmutación de fases

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La forma de conseguir el giro de un motor paso a paso consiste en la activación secuencial de sus bobinados para generar campos magnéticos en su interior que produzcan el giro deseado del rotor. En la Figura 26 se muestra la secuencia de activaciones de las bobinas de un motor paso a paso de dos fases para conseguir un giro del motor en incrementos de paso completo. Puede apreciarse que una vuelta completa consta del doble de pasos que fases posee el motor.

Figura 26 – Giro de motor paso a paso en pasos completos

A su vez, la Figura 27 refleja la secuencia de activaciones necesaria para hacer que el mismo motor realice un giro en incrementos de medio paso.

Figura 27 – Giro de motor paso a paso en medios pasos

La primera técnica se emplea cuando se desea que el motor gire con mayor velocidad y la segunda cuando el objetivo principal es la precisión. En cualquier caso, si se mantiene activada la combinación de fases que llevó al rotor a la última posición, éste la conservará con un par de frenado originado por la atracción magnética entre el rotor y los bobinados activos.

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