Electroneumatica Nivel Basico TP-201 FESTO

Sistema para enseiianza de la tecnica de automatizacion

Introduccion a la

electroneumatica

Manual de estudio D.LB-TP201-EFEP-E 090877 ISBN 3-8127-0877-9

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NQ de pedido: Denominaci6n: Referencia: Edici6n: Computer-Layout: Autores:

090877 EINF.I.EL-PNEUM D.LB-TP201-EFEP-E 04/90 07.06.90, pap H. Meixner, E. Sauer

© Copyright by Festo Didactic KG, D-73oo Esslingen 1, 1990. Reservados todos los derechos, incluso los de traducci6n.

No debe reproducirse ninguna parte de la obra con ningun metodo (impresi6n,

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utilizando sistemas electr6nicos sin la autorizaci6n de Festo Didactic KG.

ISBN 3-8127-0877-9

Prologo Los mandos electroneumaticos para eI procesamiento de sefiales estan constituidos principalmente par unidades de conmutaci6n por contactos. La entrada de sefiales se realiza mediante diversas tipas de sensores (con y sin contacto directo). Las salidas de sefiales lIevan convertidores de sefiales (electrovalvulas) con actuadores neumaticos. EI presente manual guiara sistematicamente al lector 0 estudiante en la materia de la electroneumatica abordando los siguientes temas: Bases de la electrotecnica Construcci6n de unidades de mando electricas (sensores. reles) Construcci6n de convertidores e/ectroneumaticos (e/ectrovalvulas) Construcci6n de actuadores neumaticos (cilindros) y Aplicaciones de unidades de mando. Las explicaciones ofrecidas sabre mandos basicos y sabre mandos con varios actuadores (desde su disefio hasta su puesta en marcha) tienen la finalidad de familiarizar al lector 0 estudiante con tales mandos. de modo que puedan trabajar con ellos aunque en sus labores cotidianas no se dediquen con frecuencia al trabajo con mandos e/ectricos y electroneumaticos. EI primer capitulo contiene informaciones sencillas en tome a la tecnica general de mandos (circuitos de mando, sefiales, formas de energfa). Otros capitulos indican la forma de representar secuencias de movimientos, e incluyen diagramas de movimientos, diagramas de mandos, etc.. Asimismo se ofrecen diversas soluciones para problemas de mandos (desarrollo de mandos). La materia es tratada en concordancia con criterios didacticos. Las tareas y los ejercicios pueden ser solucionados par e/ estudiante con eI fin de afianzar eI exito de sus estudios. En el manual se incluyen las normas tecnicas y de seguridad vigentes, cuyo acatamiento se recomienda. Los autores

I"dice

Capitulo 1

1 Tecnica de rnando: Generalidades .............................. 9

1.1 Introducci6n ............................................... 10

1.2 Controlar; rnandos (Definici6n segun DIN 19 226) ................ 11

1.2.1 Cmerios de diferenciaci6n de los rnandos ....................... 13

1.2.2 Diferenciaci6n segun la forma de representar la informacion ....... 13

1.3 Diferenciaci6n segun eI procesamiento de las seiiales ............ 14

1.4 Desglose de un rnando en cicio abierto ........................ 18

1.5 Seiiales ................................................... 21

1.5.1 Seiial anal6gica ............................................ 21

1.5.2 Seiial discreta .............................................. 22

1.5.3 Seiial digital ............................................... 22

1.5.4 Seiial binaria ............................................... 23

1.6 Formas de energia para las secciones de rnando y

las secciones operacionales (Com posicion y delimitacion) ......... 24

Capitulo 2

Formas de representar secuencias de movimientos y estados de

conmutaci6n ............................................... 29

2.1 Registro en orden cronol6gico ................................ 31

2.2 Tabla ..................................................... 31

2.3 Descripci6n resumida de los movimientos ...................... 31

2.4 Representaci6n grafica ...................................... 32

2.4.1 Diagrarnas de movimientos ................................... 32

2.4.2 Diagrama del mando ........................................ 35

2.4.3 Plano de funciones ......................................... 37

2.4.4 Reglas y sfmbolos para diagrarnas de funciones ................. 38

Diagrama funcional para eI ejemplo de la maquina dobladora ...... 41

2.5 2.6 Sfmbolos y normas de representaci6n .......................... 42

2.7 Movimientos ............................................... 42

2.8 Sfmbolos para elementos, Irneas y enlaces ...................... 43

2.9 CoIores caracterfsticos para interruptores, conmutadores y testigos . 45

2.10 Sfmbolos de funciones ...................................... 45

2

Capitulo 3

Bases de la electricidad/electr6nica ............................ 47

3.1 Tensi6n electrica ........................................... 51

3.1.1 Generaci6n de tension electrica por induccion ................... 53

3.1.2 Generaci6n de tension electrica por electrolisis .................. 54

3.1.3 Generaci6n de tensi6n electrica par calor ....................... 55

3.1.4 Generaci6n de tensi6n electrica par luz ......................... 56

3.1.5 Generacion de tensi6n electrica por deformaci6n de cristales ...... 57

3.2 Corriente electrica .......................................... 58

3.2.1 Tipos de corriente electrica ................................... 60

3.2.2 Efectos de la corriente electrica ............................... 61

3

3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.9.1 3.9.2

Peligros de la corriente electrica ............................... 62

Resistencia electrica ...•............•........................63

Resistencia de cuerpos conductores ............•..............63

Resistencia de las unidades consumidoras ......................64

Resistencia del aislamiento ...........•.......................64

La ley de Ohm ...........•................•.................65

Potencia electrica ...........................................67

Algunos cillculos a modo de ejemplo ...........................68

Magnetismo .............................•..•............... 68

EI condensador .......................•...•.................70

EI cOndensador en corriente continua .......................... 73

EI condensador en corriente a1tema ............................ 74

Capitulo 4

4 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1.7 4.1.8 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.2.7 4.3 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5 4.4.6 4.4.7 4.4.8 4.4.9 4.5 4.6 4.7

Elementos electricos y electro-neumaticos ....................... 75

Elementos de entradas de seriales electricas ....•................ n

Elementos sin retenci6n . . . . .................................. 78

Interruptores con retenci6n ...................................80

Interruptores mecanicos de final de carrera •.....................82

Detectores de proximidad segun el principia Reed ..•............ 83

Detectores de proximidad inductivos ...........................85

Detectores de proximidad capacitivos .......................... 88

Conexi6n de los sensores ....................................90

Detectores de proximidad 6pticos ........•.....................94

Elementos de procesamiento de senales electricas ............... 97

Reles .....................................................97

Bobinas de corriente continua ................................ 101

Bobinas de corriente alterna ................................. 104

Reles poIarizados .......................................... 106

Reles de impulsos de comente ............................... 107

Reles can magnetismo residual (reles de adherencia) ............ 107

Reles temporizadores ....................................... 108

Contactores electromagneticos ............................... 111

Sistemas de conversi6n electromagneticos ..................... 113

ElectrovaJvula de 2/2 vias de accionamiento manual .............. 113

Electrovalvula de 3/2 vias de accionamiento manual .............. 114

Electrovalvula de 3/2 vias abierta en posici6n normal ............. 115

Electrovalvula de 3/2 vias cerrada en posici6n normal

(servop!lotaje, accionamiento manual) ......................... 116

Electrov8Jvula de 4/2 vias (servopilotaje. accionamiento manual) ... 117

ElectrovaJvula de 5/2 vias (servopilotaje, accionamiento manual) ... 118

ElectrovaJvula de 4/2 vias (impulso electrico bilateral) ............. 119

Electrovalvula de 5/2 vias (impulso electrico bilateral) ............. 120

ElectrovaJvula de 5/4 vras .................................... 121

Convertidor de senales neumatico-electrico PE .................. 124

Convertidor de seflales neumatico-electrico PE

para sistemas de baja presi6n ................................ 125

Convertidor de seflales neumatico-electrico (presostato) .......... 126

Capitulo 5

5 Normas de seguridad ...................................... 127

5.1 VDE 0100 Medidas de protecci6n para evitar

contactos con alta tension .................................. 129

5.1.1 Aislamiento protector ....................................... 129

5.1.2 Bajo voltaje de proteccion .................................. 130

5.1.3 Separaci6n de proteccion ................................... 130

5.1.4 Conexi6n a neutro ......................................... 131

5.1.5 Puesta a tierra ............................................ 131

5.1.6 Sistema de conductores de protecci6n ........................ 132

5.1.7 Circuito de protecci6n p~r desconexi6n de tensi6n de defecto .... 132

5.1.8 Circuito de protecci6n por desconexi6n de corriente de defecto· ... 133

5.2 VDE0113 Y DIN 57113 ..................................... 134

5.3 Paro de emergencia e interruptor principal ..................... 134

5.4 Unidades de control, unidades de mando e indicadores .......... 135

5.5 Circuitos electricos secundarios y dispositivos de bloqueo ........ 139

5.6 DIN 40 050, Protecci6n de sistemas meca.nicos y eh~ctricos ....... 140

5.7 Especificaci6n del tipo de protecci6n ......................... 140

Capitulo 6

Bases de la neumatica ..................................... 143

6 6.1 Propiedades del aire comprimido ............................. 144

6.2 Bases ffsicas .............................................. 145

6.3 Acondicionamiento del aire .................................. 148

6.3.1 Impurezas ................................................ 148

6.3.2 Filtro de aire comprimido con valvula reguladora de presion ...... 150

6.3.3 Unidad combinada de mantenimiento ......................... 152

Capitulo 7

7 Elementos neumaticos

7.1 Elementos neumaticos de funcionamiento lineal (cilindros) ........ 156

7.1.1 . Galculo de los parametros de los cilindros ..................... 158

7.1.2 Ejemplos de ca.lculos ....................................... 159

7.2 Valvulas .................................................. 162

7.2.1 Generalidades ............................................ 162

7.2.2 Valvulas de vfas ........................................... 162

7.2.3 Accionamiento de las valvulas ............................... 165

7.2.4 SfmboJos neumaticos segun DIN/ISO 1219 Y

sfmboJos especiales no normalizados ......................... 168

7.2.5 Control y regulaci6n de energfa .............................. 170

7.2.6 Transmisi6n de energfa ..................................... 173

7.2.7 Elementos complementarios ................................. 180

7.2.8 Interruptores de contacto/SfmboJos especiales/Elementos

de conmutaci6n (sin norma) ................................. 182

Capitulo 8

8

8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8

8.9 8.9.1 8.9.2 8.9.3 8.9.4 8.9.5

Sfmbolos electricos ......................................... 183

Sfmbolos de interuptores segun DIN 40 713 (abril 1972) .......... 184

Transformadores segun DIN 40 714 ........................... 193

Testigos, indicadores yalarmas segun DIN 40 708 ............... 194

Tipos de tensi6n y de corriente, tipos conmutaci6n DIN 40 710 .... 195

Uneas y conexiones DIN 40 711 .............................. 196

Instrumentos de medici6n DIN 40 716 ......................... 197

Maquinas DIN 40 715 ....................................... 197

Letras de identificaci6n del tipo de elemento

operacional DIN 40 719 Parte 2 Ounio de 1978) ................. 198

Tipos de esquemas de distribuci6n ............................ 202

Esquema de conexiones efectivas ............................ 202

Esquema de circuitos electricos .............................. 203

Esquemas generales ........................................ 204

Esquema de conexionado ................................... 205

Esquema de conexi6n entre elementos ........................ 205

Capitulo 9

Conexiones Msicas (electro-neumaticas) ....................... 207

9 9.1 Control de un cilindro de simple efecto ........................ 208

9.2 Control de un cilindro de doble efecto ......................... 210

9.3 Circuitos paralelos (cilindro de simple 0 doble efecto) ............ 211

9.4 Circuitos en serie (cilindro de simple 0 doble efecto) ............. 212

9.5 Control indirecto bilateral ............................. '" .... 213

9.6 Control del retroceso automatico de un cilindro ................. 214

9.7 Movimientos oscilantes de un cilindro de doble efecto ............ 215

9.8 Circuito de autorretenci6n ................................... 216

9.9 Control de un cilindro de simple 0 doble efecto con autorretenci6n .217

9.10 Control del retroceso automatico con detector de final de carrera .. 218

9.11 Mandos con temporizaci6n .................................. 219

9.12 Control de un cilindro de doble efecto

con temporizaci6n {respuesta retard ada ............ ........... 220

9.13 Control de un cilindro de doble efecto

con temporizaci6n (desconexi6n retarda) ......................223

Capitulo 10

Confecci6n de un esquema de distribuci6n ..................... 225

10 10.1 Confecci6n de un esquema de distribuci6n segun una sistematica .. 227

10.1.1 Ejemplo: Elevador de paquetes ............................... 227

10.1.2 1!!! Soluci6n (memoria neumatica) ............................. 228

10.1.3 2!!! SoIuci6n (memoria electrica) ............................... 233

Capitulo 11

11 Anexo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

11.1 Indice bibliografico ......................................... 240

11.2 Norrnas .................................................. 240

7

R

Capitulo 1 Tecnica de mando: generalidades

a

1.1 Introducci6n

La tecnica de mandos es parte integrante de nuestra sociedad industrial puesto que sin ella la tecnologfa no hubiera podido a1canzar los niveles actuales. No hay especiaJidad tecnol6gica que pueda prescindir de los mandos. Para que los tecnicos de diversas especiaJidades (neumatica, hidraulica, electricidad y electronica) cooperen entre sr, es indispensable que hablen un idioma cornun. Ello significa que debe dispanerse de definiciones precisas de los conceptos, con cmerios basicos aceptados par todos. Estos fundamentos de la tecnica de mando tienen vaJidez general, independientemente de la energfa de control 0 de trabajo que se utilice y, tambien, independienternente de la configuraci6n tecnica del mando en cuesti6n.

in

EI acto de controlar (es decir, el mando) se refiere a aquel proceso dentro de un sistema que tiene como consecuencia que una 0 varias magnitudes de entrada incidan sobre una 0 varias magnitudes de salida a raCz de una 16gica in trfnseca del sistema. Un control se caracteriza par la secuencia de efectos abierta producida a traves de un elemento de transmisi6n individual 0 mediante un mando en cicio abierto. EI concepto de mando con frecuencia no solamente es utilizado para definir eI proceso de control como tal, sino que abarca a la totalidad del equipo en el que se produce el control.

Magnitudes de entrada

:::

Sistema

Magnitudes de salida

=-_= -_= -_=~-::::I___..Jt------tl:~ :: ..

EI mando como tal, incluido en eI sistema sometido aI control, se representa mediante eI siguiente esquema Msico:

Magnitud de interferencia Z1

I

..

Trecho de mando

.

Magnitud de ajlJste y

....

Flujo de la energra/ Corriente de masa

Direcci6n de las secuencias

Unidad de control I

Magnitud de interferencia Z2 Magnitudes de entrada XC

11

1.2 Controlar; mandos (Definici6n segun DIN 19226)

Ejemplo

Si eI rendimiento de un compresor de aire es regulado mediante la cantidad de aire aspirado, entonces el abrir y cerrar la corredera es un proceso de control. Lacorredera es el elemento de control, ya que su posicion determina la canti­ dad de aire aspirado. La magnitud de ajuste es la seccion que queda abierta por la posicion de la corredera. La nave que actUa sobre la corredera es la unidad de mando. La variacion de la carga en la red neumatica. causada por la unidad receptora, actUs sobre el mando como magnitud de interferencia z. Lo mismo se apJica a las oscilaciones de las revoluciones 0 a los cambios del grado de eficiencia del compresor. Dado el caracter abierto del mando, no es posible compensar dichas interferencias.

.Uave .(unidacl de mandaI / Tuberia d : - i Corradera aspiraci6n (elemento de c:ontral) t7/,

Trec:ha de mando ~\

.'~y~

'-:

Secci6n abierta aI paso

Aeumulador

~::::::===~

t----~

(magnitucl de &justa y)

CompnlSOr (magnitud de interierencia %1)

1?

c::====:!::1

Unidad reoeptora (magnitud de interferencia z2)

(Definicion segOn DIN 19 237)

1.2.1 Criterios de diferencia­ cion de los mandos

Mando

Se trata de un mando con procesamiento de senales primordialmente analogicas.

1.2.2Diferenciacion segun la forma de representar la informacion

Mando analogico

Observacion Las senales son procesadas principal mente con elementos de funcionamiento continuo.

Se trata de un mando que actOa durante el procesamiento de las senales y que primordialmente procesa informaciones numericas.

Mando digital

Observacion Las senales son procesadas principal mente mediante unidades funcionales digitales. como por ejemplo contadores. unidades registradoras. memorias y unidades de c:alculo. Las inforrnaciones que se procesan suelen estar representadas mediante un cooigo binario.

Se trata de un mando con procesamiento de senales primordial mente binarias. Las senales binarias respectivas no son componentes de informaciones representadas por nOmeros. Observacion Los controles binarios procesan senales binarias de entrada principal mente con unidades de enlace, de tiempo y de memoria. transformandolas en senales binarias de salida.

Mando binario

1.3 Diferenciaci6n segun el procesamiento de

las senales

Este criterio de diferenciacion se reflere a la manera en la que se enlazan, modifican y procesan las senales. Sagun DIN 19237, pueden diferenciarse los siguientes cuatro grupos:

Mando

-

1

I

I

Mando sincroniazdo

Mando asfncrono

I Mando secuencial

control ado por el tiempo

-

T

I

Mando l6gicos

Mando secuencial

T

I

Mando secuencial controlado par et proceso

Mando sincronizado

Se trata de un mando en el que el procesamiento de las senales se produce de modo sincronizado con una senal temporizada.

Mando asfncrono

Se trata de un mando que trabaja sin senal temparizada; las senales cambian solamente si cambian las senales de entrada.

Mando par enlaces logicos

Se trata de un mando que asigna a las senales de entrada determinadas senales de salida en funcion de los enlaces de Boole.

Observaci6n Es recomendable evitar el usa de conceptos como mando en paralelo. mando guiado 0 mando par bloqueo, ya que son propensas a causar confusiones.

Esquema l6gico el

&

'------­

e2--------~~

Y

e3-------------10&' e4------------~~

&

e5

Esquema neumatico y

·219

e1

~21 .

13

e2~

2 e3

e4

e5

0V

13

13

13

Esquema electrico

24V+

e3f~ e2t

(YIK1

e4E

Mando secuencial

5e trata de un rnando con pasos obligatorios; la conmutaci6n de un paso hacia eI siguiente se efectUa en funci6n de las condiciones para dicha conmutaci6n.

Observaci6n La secuencia de los pasos puede estar programada de diversas formas (por ejemplo saltos, bucles, bifurcaciones). La secuencia de los pasos del mando suele coincidir con la secuencia de los pasos del proceso tecnico que es objeto del control. Es recomendable no seguir utilizando conceptos como, por ejemplo, control de prograrnas, control temporizado, ya que se prestan a confusiones.

Mando secuencial controlado por el tiempo

5e trata de un rnando con condiciones de conmutaci6n que dependen exclusivamente del factor tiempo.

Observaci6n Para conmutar al siguiente paso puede recurrirse, por ejemplo, a elementos temporizadores, contadores de tiempo 0 rodillos de giros continuos y constantes. EI concepto de rnando par programa solo debera utilizarse para la definci6n de magnitudes de control en funci6n del tiempo.

Cinta programada Motor

Motor Arbol de levas

Se trata de un mando secuencial en eI que la conmutaci6n de un paso aI siguiente se produce soIamente en funci6n de las set\ales provenientes del equipa objeto del control (proceso). Observaci6n Un mando secuencial controlado par eI proceso funciona dentro de un circuito cerrado. EI mando segun recorridos. definido en la norma DIN 19 226 del mes de mayo de 1968 es un tipa de mando secuencial controlado par eI proceso. aunque en eI fa conmutaci6n aI siguiente paso depende exclusivamente de seliales generadas par los recorridos del equipa sujeto aI control.

Valvula de arranque 1.2

1.0

1.3 I

17

Mando secuencial contro/ado par eI proceso

1.4 Desglose de un mando en cicio abierto

Un mando esta representado en muchas casos como caja negra cerrada con entradas y salidas. Puede desglosarse esta caja negra mas detallada- mente. Se hace el desglose siguiente:

Entrada de senales

Procesamiento de senales

Salida de senales

Este esquema es aplicado en los mas diversos campos de la electricidad, electronica, neumatica e hid raulica, indicandose en alia direccion de la transmision de la senal. EI esquema se amplfa si en un sistema se utilizan tecnologfas diferentes, es decir, si se combinan por ejemplo electricidad y neumatica 0 electricidad e hidraulica. En estas u otras combinaciones es necesario intercalar un paso adicional.

Entrada de senales

f-to

Proceso de senales

--..

Conversion de senales

--..

Salida de senales

EI bloque "conversion de setiales" tambien puede titularse transformador de senales 0 amplificador de senales. Este convertidor de setiales - 0 10 que sea la denominacion- tiene la funcion de convertir para el bloque "salida de senales" las senales que lIegan de los bloques "entrade de senales" 0 " proceso de setiales" en senales de la otra tecnica (medio) respectiva.

10

La tabla siguiente muestra la correspondencia entre elementos neumaticos y electricos.

Entrada de senales

Procesode sefiaJes

ElectricidadElectricidad

Pulsadores, interruptores, interruptores de final de carrera (contactos normalmente cerradoso abiertos, con­ mutadores) emisoresde sefiaJes sin contacto

Contactores electro­ magneticos Reles

NeumaticaNeumatica

Pulsadores, interruptores, interruptores de final de carrera (valvulas de vias), emisoresde senaJes sin contacto

Valvulasde vias, valvulas de cierre (valvulas mixtas, valvulas seJectoras)

Amplificadores neumaticos

Cilindros Motores neurnaticos

ElectricidadNeumatica

Pulsadores, interruptores, interruptores de final de carrera, emisoresde sefiales sin contacto

Contactores electro­ magneticos ReJes

Electrovalvulas

Cilindros Motores neurnaticos

Tecnicade sensores

Tecnicade Tecnica de actuadores procesadores

Conversion de sefiaJes

SaJidade sefiaJes Motores electricos Motoresde induccion lineal

En los esquemas electroneumaticos la representaci6n del flujo de las senales electricas es de arriba hacia abajo, tal como 10 muestra eI siguiente ejemplo:

Salida de seriales en la unidad de trabajo neumatico Y1

= convertidor de senates

1 3

+

'---'-r-'---r"""--r Sltl S3t

Entradas de senales S1, S2, S3

Kl

Procesamiento de seiiales S1, S2, S3 con K1

A1

Yl

K1 A2

Salida de seriales Y1

En este manual se incluyen diversos esquemas de este tipo que seran explicados posteriormente.

Una sefial es una informaci6n representada per un valor 0 per Ia evoluci6n de un valor de una magnitud ffsica. La representaci6n puede referlrse a una transmisi6n, un procesamiento 0 aI almacenamiento de informaciones.

1.5 Senales

Una sena! anaJ6gica es una sefial que ofrece diversas informaciones en cada uno de los puntos comprendidos per un margen de valores contfnuo. En consecuencia, eI contenido de informaciOn Ip (parametro de inforrnaci6n) de estas sefiales, puede tener cualquier valor comprendido dentro de determinados Ifmites.

1.5.1 Senal anal6gica

Ejemplo PoUmetro

~o

Senal anal6gica

1 p

t-------

Ip = parametro de informaci6n

91

1.5.2 Selial discreta

Se trata de seliales cuyo parametro de informaci6n Ip tan solo ad mite una cantidad limitada de valores dentro de un margen determinado. Dichos vafores no guardan relaci6n afguna entre sr. Cada valor esta relacionado a una informaci6n determinada

Ejemplo Densidad del traflco durante las horas del drs

I I

r­

r­

~ ~

po­

-

I I

.....

=R

....

-

,....

- - -___...-

1.5.3 Senal digital

-­

...9­

Ip

= parametro de informaci6n

Se trata de una seIiaI cuyo parametro tiene una cantidad ilimitada de margenes de vafores, correspondiendo Ia totafidad de cada margen de val ores a una informaci6n determinada

Ejemplo Aparato de medici6n digital

II

Sefial digital

,..,..

J[r7!

La selial binaria (serial de dos puntos) es una serial digital de un parametro relacionado solamente ados margenes de valores. La serial contiene dos informaciones. Por ejemplo: SI - NO; ACTIVO - INACTIVO.

Ejemplo

8

1

1.5.4 Seilal binaria

3

Presi6n Tensi6n Corriente 0.8

t_

Para evitar yuxtapasiciones, es necesario que eI margen de seguridad entre los dos margenes de valores sea 10 suficientemente amplio; par ejemplo: serial 0 = OV hasta SV, selial 1 = 10V hasta 20V. Mientras que eI valor de la selial (par ejemplo una presi6n) oscile dentro del margen superior, sera reconocido como serial 1. Lo mismo se aplica analogamente aI margen inferior. De este modo se obtiene cierta seguridad frente a posibles interferencias. En consecuencia, ello significa que es necesario situarse ya sea en eI margen inferior 0 en el margen superior. Si la selial estuviera en eI margen de seguridad (zona prohibida), una valvula, par ejemplo, asumirfa una posici6n indiferente pudiendose producir una conmutaci6n equivocada. Los estados 0 y 1 son equivalentes. Serial binaria

1­

Existen tam bien otras nomenclaturas para los estados 0 y 1, aunque se recomienda no utilizarlos (DIN 40 700). H L

=

High

= Low

1.6 Formas de energia para las secciones de mando y las secciones operacionales (Composici6n y delimitaci6n)

La posibilidad de transformar seiiales de determinadas formas de energfa en seiiales de otras formas de energfa recurriendo a los equipos correspondientes (transformadores de seiiales, transformador de mediciones) significa que en la tecnica de mando es factible trabajar con varias formas de energfa. Por ello es posible configurar un mando segun criterios de optimizacion economica y tecnica. No obstante, en la practica no siempre es sencillo elegir el sistema mas adecuado. Ademas de las exigencias que plantea la aplicacion concreta, es necesario tomar en cuenta las condiciones generales imperantes, tales como el lugar de la aplicacion, las influencias del medio ambiente, recursos humanos disponibles para el mantenimiento del sistema, etc.. Con frecuencia, estas circunstancias estan en franca contradiccion con la solucion teoricamente ideal del problema e inciden por tanto en la solucion por la que real mente se opte. Cabe agregar que el"electricista" siempre preferirci una solucion del mando por medio de la electricidad, el especialista en hidraulica optara mas bien por una solucion con componentes hidraulicos mientras que el experto en neumatica se decidira en favor de una solucion neumatica. No obstante, la solucion optima del problema presupone un dominic de todas las especiaJidades. Las Iistas que se incluyen a continuacion ofrecen una informacion general sobre los medios de trabajo y de control mas difundidos y sobre los respectivos criterios de seleccion. Sin embargo, no se trata de un listado completo y exhaustivo de todos los hechos a tomar en cuenta, intentandose mas bien indicar tan solo los aspectos mas importantes.

Medios de trabajo

• Electricidad:corriente electrica • Hidraulica:fluidos • Neumatica:gases

Criteros para la eleccion

• • • • • • • • • • • •

del sistema

Fuerza I Potencia Distancia Tipo de movimiento (lineal, giratorio, etc.) Velocidad Dimensiones Vida Util Sensibilidad Seguridad Costos energeticos Regulabilidad ManejabiJidad Acumulacion

emerios

NeumB.tica

Hkfraulica

Bectricidad

Fuerza lineal

Fuerza limitada a aprox.

Fuerza elevada par presi6n alta

Bajo grado de eficiencia; no ofrece seguridad a sobrecargas; gran consum~ de energCa en rnarcha en vacCa; fuerzas reduckfas

35000-40000

(=3500-4000 kp) poria baja presi6n y por eI diametro de los cilindros; no consume energCa en rnarcha en vacCo Fuerza giratoria

Maximo par de giro. tambien en rnarcha en vacro. sin consumo de energCa

Maximo par de giro. tambien en marcha en vacro, aunque en ese estadose produce un consumo mBximode energCa

Mrnimo par de giro en marcha envacCo

Movimiento rotativo 0 basculante

Motores neumaticos de altas revoluciones (aprox. 500000 min-1), elevados costosde servicio; bajo gradode eficiencia; movimiento basculante mediante transformaci6n por pifi6n y cremallera

Motores hkfraulicos y cilindros giratorios tienen menos revoluciones que en Ia neumatica; buen grado de eficiencia

Excelente grado de eficiencia con motores giratorios; revoluciones limitadas

Comparaci6n entre medios de trabajo

Criterios

Neumatica

Hidraulica

Electricidad

RegulabHidad

Facil reguiabUidad de la fuerza mediante ajuste de Ia presi6n (regulador de presi6n) y de Ia velocidad mediantela cantidad (vSIvuIa de estrangulamiento, vSlvulade aireaci6n), especialmente en eI margen de velocidades bajas

Regulabilidad Buena limitada y regulabilidad de complicada Ia fuerza y de Ia velocidad. incluso en eI margen de velocidades bajas

AcumuiaciOn de energl'a y transporte

Facil acumulaciOn de grandes cantidades; transporte sencDlo par conductos (aprox. 100 m) y en botellas de aire comprimido

Acumulaci6n limitada con gas auxiliaro mediante acumulador con muelle; transporte factible par tuberl'as de hasta aprox. 100m

Acumulaci6n sumamente diffcil y complicada y, por 10 general. en cantidades fnfimas (acumulador, pi/a); transporte sencDlo por cables ya largas distancias

Influencias del medio ambiente

Insensible a fluctuaciones de temperatura; sin peligro de expIosi6n; peligrode congelaci6n a gran humedad del ambiente, bajas temperaturas y velocidades altas del flujo

Sensible a fluctuaciones de temperatura; en caso de fugas, peligrode suciedad y de incendio

Insensible a fluctuaciones de temperatura: en zonas de peligro. necesidad de adoptar medidas. de seguridad contra incendio y explosi6n

Criterios

Neumatica

Hidrfl.ulica

Electricidad

Costos energeticos

Elevados en comparaci6n conla electricidad; 1m3 deaire comprimido con 600kPa (6 bar) cuesta aprax. de 0,02 OM hasta 0,04 OM, segun equipo y grado dedesgaste

Elevados en comparaci6n conla electricidad

Costos energeticos mlnimos

Manejo

Aplicable con pocos conocimientos tecnicos; montaje y puesta en marcha relativamente sencillos y sin peligra

Mas dificil que la neumatica debido a las a1tas presiones; necesidad de incluir tuberias de fuga yde retorno

Aplicable solo con conocimientos tecnicos; peligro de accidentes al cometer equivocaciones de conexiones, con la consecuente destrucci6n de los equipos y del mando

Generalidades

Los elementos no sufren sobrecargas; ruidos molestos por evacuaci6n de aire, por 10 que es necesario incorporar silenciadores

A presiones elevadas se producen ruidos de la bomba; los elementos no sufren sobrecargas

Los elementos pueden sufrir sobrecargas, a menos quese prevea un sistema complicado de segura contra sobrecargas; ruidos al conmutar los reles y el electraiman elevador

?7

Medios de mando

• Mecanica • Electricidad • 8ectr6nica • Neumatica a presi6n normal • Neum8.tica a baja presi6n • Hidraulica

Criterios para la elecci6n del sistema

• • • • • • • •

Comparaci6n entre medios de mando

Seguridad operativa de los elementos Sensibilidad frente aI medio ambiente Facilidad de mantenimiento Tiempo de conmutaci6n de los elementos Velocidad de las senales Espacio requerido Vida Util .Capacitaci6n del personal de operaci6n y servicio

Criterias

Electricidad

Electronica

Seguridad operativa de los elementos

Insensible a infiuencias del medio, tales como poIvo, humedad, etc.

Muy sensible a influencias del medio, tales como poIvo, humedad, campos parasitarios, golpes y vibraciones; larga vida Util

Tiempode conmutaci6n de los elementos

> 10 ms

« 1 ms

Neumaticaa presi6n normal

Neumaticaa baja presi6n

Muy sensible a influencias del medio; larga vida Uti! si eI aire no contiene impurezas

Insensible a influencias del medio; sensibleal airecon impurezas; larga vida Util

> 5 ms

> 1 ms

Velocidad de las senales

Gran velocidad = velocidad de laluz

=10-40 m/s

Distancias

Practicamente ilimitadas

Umitadas por la baja velocidad de la transmisi6n

Espacio requerido

Poco

Procesamiento Digital principal de sefiales

=100-200 m/s

Muypoco

Poco

Poco

Digital Anal6gico

Digital Anal6gico

Digital Anal6gico

Capitulo 2 Formas de representar secuencias de movimientos y estados de conmutaci6n

Con la finalidad de reconocer de modo rapido y seguro las secuencias de los movimientos y los estados de conmutaci6n de los diversos elementos de los mandos, es necesario recurrir a una forma adecuada de representar los movimientos y los estados de las setiales. Dichas representaciones sustituyen 0 complementan las descripciones verbales de un sistema de mando. Ademas. las representaciones contribuyen a un mejor entendimiento entre expertos en construcci6n de maquinaria, en electrotecnica y en electr6nica. A continuaci6n se ofrecera un ejemplo practico para mostrar las diversas formas de representar un sistema.

Ejemplo Maquina de doblar chapas

Las herramientas de una maquina se encargan de doblar chapas. Las chapas son coIocadas a mano en la maquina. Despues de activar el pulsador de puesta en marcha, eI cilindro A sujeta Ia piaza. EI cilindro B avanza, dobla la plaza y retrocede. A contlnuacl6n, eI cilindro C continUa con el proceso de doblado. Cuando eI cilindro retrocede a su posici6n normal, eI cilindro A suelta la pieza.

Plano de situaci6n Cilindro B Primer proceso de doblado

..."

Cilindro A Sujeci6n de la plaza

---Elemento de trabajo

Proceso de trabajo

2.1 Registro en orden cronol6gico

Sujeci6n de la pieza

Primer proceso de doblado

Retoma a posici6n normal

Segundo proceso de doblado

Retoma a posici6n normal

Suelta la pieza

Cilindro A Cilindro B Cilindro B Cilindro C Cilindro C Cilindro A

Movimiento cilindroA: sujetar

Paso

1 2 3 4 5 6

Movimiento cilindro B: primer doblado

AVANZA RETROCEDE

-

-

-

AVANZA RETROCEDE

-

RETROCEDE

2.2 Tabla

-

AVANZA

-

-

Movimiento cilindro C; segundo doblado

-

En caso de movimientos giratorios. indicar direcci6n del giro.

AJ resumir Ia descripci6n de los movimientos debera prestarse atenci6n a la denominaci6n correcta del avance y del retroceso. Denominaci6n para:

Avance Retroceso

=+ =­

En la versi6n resumida de la descripci6n, elementos segun su orden: A+.

B+.

B-,

C+.

C-, A-

o

se

indican los movimientos de los A+ B+

B­ C+

C­ A­

31

2.3 Descripci6n resumida de los movimientos

2.4 Representaci6n grafica (diagrama)

Para representar determinadas secuencias de trabajo de maquinas 0 equipos se utilizan diversos tipos de diagramas. En la norma VOl 3260 se definen los diagramas de funciones. los cuales son clasificados en diagramas de espacio y diagramas de estado. En el diagrama de espacio se indican las distancias recorridas por un elemento de trabajo. En el diagrama de estado se indica la conjunci6n del trabajo de varios elementos y la actuaci6n de otras unidades de mando y de conexi6n. Los conceptos mas difundidos para estos tipos de diagramas son los siguientes: • Oiagrama del movimiento • Oiagrama del mando

2.4.1 Diagramas de movimientos

Diagrama de pasos

En estos diagramas se indica la s9cuencia de trabajo de un elemento. trazandose eI recorrido en funcian de cada uno de los pasos (paso = cambio del estado de algun elemento). Si un mando incluye varias unidades de trabajo. estas son incluidas en el diagrama una debajo de la otra. La relaci6n existente entre las secuencias queda establecida por los pasos.

1

2

3

1

Adelante:~J2j

CilindroA

Atras

t

___

Espacio

,

.

Kt

4

5=1

I~ I

Pasos - ­

EI diagrama correspondiente a la maquina de doblado de chapas serra el siguiente:

Recomendaciones para eI • Trazar los pasos horizontal mente yequidistantes. trazado de los diagramas • No trazar los espacios a escala, sino iguales para todos los elementos constructivos. • Tratlmdose de varias unidades. prever suficiente espacio entre los pasos

(1/2 hasta 1 paso).

• Si durante et movimiento cambia el estado. por ejemplo accionando un in­

terruptor en la posicion intermedia del cilindro 0 modificando la velocidad

del avance, pueden intercalarse pasos intermedios.

• Numeracion arbitraria de los pasos. • Denominacion arbitraria de los estados, ya sea indicando la posicion del cilindro como en et ejemplo (adetante - atms, arriba - abajo, etc.) 0 utilizan­ do numeros (por ejemplo, 0 para el final de carrera al retroceder 01 para el final de carrera al avanzar) .. • La denominacion de Ia. unidad respectiva debera incluirse a la izquierda del diagrama; por ejemplo: cilindro A.

En estos diagramas se realiza el trazado del espacio recorrido por la unidad en funcion del tiempo. A diferencia del diagrama de pasos, en el diagrama espacio-tiempo sf se aplica una escala para el tiempo t, con 10 que se establece una relacion entre las diversas unidades en el tiempo.

1 (adelante)

11 t 2 -f------==-....---t"--r

CmndroA

o (atms) nempo t

..

Diagrama espacio - tiempo

Oiagrama espacio-tiempo para eI ejemplo de la rnaquina dobladora de chapas:

2 3

-1

5

6

7:1

CilindroA 0 Cilindro B 0 Cilindro C 0

Tiempo t

La imagen de este diagrama es similar at diagrama de pasos. Mediante ICneas verticales QCneas de los pasos) se establece la relaci6n entre los dos diagramas. Las ICneas referentes a los pasos incluidas en eI diagrama espacio-tiempo sin embargo no son equidistantes. sino que correspond en aI tiempo en funci6n de la escala que se haya escogido para este parametro. EI diagrama de pasos es mas informativo en cuanto a las relaciones entre los elementos; sin embargo. eI diagrama espacio- tiempo permite reconocer con mayor claridad las sobreposiciones de los movimientos y las diferentes velocidades de trabajo. Recomendaciones

• Para eI diseno y la representaci6n de mandos por programas de movimien­ tos (mandos secuenciales controlados por eI proceso), es preferible recurrir a diagramas de pasos, ya que en este caso eI tiempo es un parametro de menor importancia • Los diagramas espacio-tiempo deberfan utilizarse preferentemente para dlseliar y representar mandos par programas de tiempo (mandos secuen­ ciales controlados por eI tiempo), ya que ofrecen la posibilidad de indicar claramente la relaci6n entre las secuencias del programa y eI tiempo. • AI trazar diagramas para elementos de trabajo giratorios (por ejemplo motores electricos, motores neurnaticos), se apIicaran Msicamente los mismos diagrarnas, aunque sin considerar eI transcurso del tiempo en rela­ ci6n con eI cambio de estado. Ello significa concretamente que en eI dia­ grama de pasos eI cambio de estado no se indica a 10 largo de un paso entero (par ejemplo at poner en marcha un motor electrico), sino que es trazado directamente sobre Ia ICnea del paso respectivo.

EI diagrama del mando muestra los estados de conmutaci6n de los elementos emisores de seiiales y de los elementos procesadores de sefiales en funci6n de los pasos. En estos diagramas no sa induye eI factor tiempo. Es impartante induir las posiciones normales de los elementos en eI diagrama del mando, par ejemplo abierto, cerrado, estado 0 6 1.

t ~o

Pasos

1

- - - I........

3

En este ejemplo, un interruptor de final de carrera abre en eI paso 2 (sefial1) y cierra en eI paso 5 (sefial 0). A modo de altemativa, puede tambien trazarse eI diagrama de la siguiente manera.

6

I III

I

I

2.4.2 Diagrama del mando

Recomendaciones

• De ser posible, es recomendable combinar eI diagrama del mando con el diagrama de movimientos • Trazar los pasos 0 los tiempos en eI plano horizontal • La distancia vertical entre las Ifneas de .Ios movimientos es arbitraria, aunque debera procurarse la c1aridad de la informaci6n La combinaci6n de un diagrarna de movimientos y de un diagrarna de mando es denominada diagrarna de funciones. En esta pilgina se ofrece eI diagrarna de funciones correspondiente al ejemplo de Ia maquina dobladora. La inclusi6n de los interruptores de final de carrera en eI diagrarna ofrece una informaci6n mas clara sobre la relaci6n entre las funciones.

5 1

CilindroA S7

0..,. 1

. Sla rt

Cilindr:08 0

/~

,

(al )

"

~SI

/\01

,/~ /

6

0

S2(al) SI {ao 54 (bl)

(bO)

S3

.53 (bO­

7t:l

\ / ""K 1/

1

Cilindro C

7·1

S5

S6 (c 1) ·55 (co)

(eO) 1

SI 0

I

1

S2 0 1

S3

a

1

54 0

m

1

S5 0

1

S6 0

11

1

S7 0

EI diagrama de funciones perroite comprobar y controlar las secuencias (movimientos de los cilindros). Ademas puede comprobarse tambian Ia posici6n de los interruptor:es de final de carrera y sus estados de conmutaci6n.

(Segun DIN 40719, parte 6, edici6n de marzo de 19n)

2.4.3 Plano de funciones

En este panafo se explican los s(mlxl'os mas importantes y las reglas para la representacion grafica en la medida que sean necesarios para comprender los diagramas de funciones incluidos en este manual.

OBSERVACION PREVIA

Recomendamos aI lector que desee profundizar en la materia, que estudie las normas DIN 40700, parte 14 y 40719, parte 6.

B diagrama de funciones es una representaci6n de un mando segan procesos, independientemente de la aplicaci6n concreta de determinados medios operativos, de la configuraci6n de los conductos 0 del lugar del montaje. EI diagrama de funciones sustttuye 0 complementa la descripci6n verbal de un mando. EI diagrama de funciones es un medio de comunicaci6n entre eI fabricante y eI usuario. Ademas facilita eI entendimiento entre los expertos de diversas disciplinas especializadas, tales como construcci6n de maquinas, neumatica, hidraulica, tecnica de procedimientos, electricidad, electr6nica, etc. EI diagrama de funciones permtte la representaci6n clara de un mando con sus caracterlsticas esenciales (estructura general) 0, tambien, con todos los detalles necesarios para una aplicaci6n concreta (estructura detallada). EI diagrama de funciones es un complemento de la restante documentaci6n sobre los circuitos.

....,.

Finalidad del diagrama de funciones

2.4.4 Reglas y s(mbolos para diagramas de funciones

(Segun DIN 40719, parte 6) Sfmbolo Forma basica para eI sfmbolo de fun­ ciones. Este sfmbolo basico es com­ pletado mediante indicaciones carac­ teristicas de las funciones concretas en concordancia con DIN 40700. par­ te 14.

D

o

Sfmbolo general para linea activa

Resumen grafico de Irneas activas

Versi6n detallada Versi6n simplificada Denominaci6n de variables (sellales de entrada 0 de salida)

Esta denominaci6n califica eI estado en eI que Ia variable (selial) tiene eI valor 1

Negaci6n (inversi6n de una denomi­ naci6n)

Interrupci6n de una Irnea activa

--xxx

xxx

--xxx

---0

~.....

.,.

IN'

X.

•

I

Entradas

Las entradas deberan indicarse prete­

rentemente arriba 0 en ellado izquier­

do. AI incJuir varias entradas. puede

prolongarse dicha entrada en uno 0

en los dos lados.

D­

Salidas

Las salidas deber8n indicarse prete­

rentemente abajo 0 en eI lado

derecho.

EnlacesY

La variable en la salida tiene eI valor 1

soIamente si las variables en todas las

entradas tienen eI valor 1.

Enlaces 0

La variable en la salida tiene eI valor 1

soIamente si aI menos en una de las

entradas la variable tiene eI valor 1.

B

Paso

En la casilla A se indica eI numero del

paso. Este numero es arbitrario. En la

casilla B puede incluirse un te.xto ex­

plicativo.

1

Paralelamente a cada paso se define Ejemplo mas precisamente la orden respectiva Paso 1: sujeci6n en una casilla adicional.

A

Sujeci6n

Casillas para las ordenes

Casilla A: Tipo de orden retardo S = memorizado

SO = memorizado y retardado

NS = no memorizado

NSO = no memorizado, retardado

SH = memorizado incluso en caso de

interrupcion de la energia

T = limitado en el tiempo

o

A

B

Casilla B: Efecto de la orden; p~r ejemplo: avance del cilindro de sujecion A+ Casilla C: La conmutacion del paso n al paso n + 1 suele depender de la ejecucion de las ordenes impartidas en n. Por motivos de simplificacion, dichas ordenes y sus sefiales de confirmacion que producen la conmutacion son representadas me­ diante numeros.

Ejemplo

ARRANQUE Posicion normal

I 1

S

Sujecion

S

Avance del cilindro de sujecion A + a1 Motor "ON"

2

Avance de unidad de avance B +

b1

-

I 2 Taladrar

-

& t-- a1 1--2 IS

_

•..... :-

' . . .. .........

.....

~

,.

..

r-

Arranque

.

.

.

. ' .. ,

2.5

Pieza puesta

& Mando posicion inicial (Sl) '---

1

S

Avance del cilindro de sujecion (A + )

I S~

S

Avance del ciUndro 8 (8 + )

I S~

IS

Retroceso del cilindro 8 (8-)

I S~

Sujetar pieza

2

1

82

Primer proceso dedoblado

·3

1

84

Retroceso

4

1

83

I S

I

Avance del cilindro C (C+)

1S6j

I S

I

Retroceso del cilindro C (C-)

Is5i

IS

I Retroceso del cilindro de sujecion A (A-) , sll

Segundo proceso de doblado

5

1

86

Retroceso

6

1

Retroceso

85

Diagrama funcional para el ejemplo de la maquina dobladora

2.6 Simbolos y normas de representaci6n

En este capftulo se presentsn diversos sfmbolos y conceptos importantes en concordancia con las normas VOl 3260 Y DIN 55003. Estos sfmbolos pueden emplearse tanto en pianos como en diagramas y, ademas, en pictogramas coIocados en las maquinas (vease DIN 55003).

2.7 Movimientos

Movimiento rectilfneo en direcci6n de Ia flecha

..

Movimiento rectiUneo en dos direccio­ nes

.

Movimiento rectUfneo y limitado en di­ recci6n de Ia flecha

I­

Movimiento rectilfneo limitado de una ida y walta en direcci6n de las flechas

...-.-­

Movimiento rectilfneo limitado de ida y welta contfnua en direcci6n de las flechas

Movimiento giratorio en direcci6n de Ia flecha.

Movimiento giratorio en dos direccio­

nes

Movimiento .giratorio y limitado en di­ recci6n de Ia flecha

A?

..

..

·,

o

Revoluciones I Marcha contfnua I Cicio contfnuo

o

Un giro I operacion simple I cicio simple

Revoluciones/minuto

Man6metro segun DIN 2481

Sfmbolos de caracter general

Instrumento de medici6n electrico segun DIN 40716

CD

Motor electrico

I I I

cp

9 ~

CONECTAR

I

DESCONECTAR

I CONECTAR!DESCONECTAR

I CONECTAR AUTOMATICO

I

I

2.8 Sfmbolos para elemen­ tos, Ifneas y enlaces de seiiales segun VOl 3260 para diagramas de pasos

IMPULSO SIMPLE

(conectado mientras se pulse el bot6n)

I

~

Desconexi6n de emergencia (color rojo)

~

Interruptor de final de carrera

I Presostato

CP P

I

SOOkPaI

5 bar

I Elemento temporizador

I Condici6n 0 (sfmbolo v)

I Condici6n Y (sfmbolo A)

I Condici6n NO (simbolo-)

I

I

~'S ~ a, vb,

\l l

a,' b,

at

I

I

I

I

Bifurcaci6n

I

I

I

I

Proveniente de otra maquina

Dirigido hacia otra maquina

I AA

r

I

2.9 Colores caracteristicos para interruptores, conmutadores y testigos

(Segun DIN 43605) En general: Color ROJO: Color VERDE:

Desconexion de fuentes de peligro No para identificacion de un estado de activacion

Definicion COLOR

Interruptor Conmutador

Testigos

ROJO

STOP/DESACTIVACION PARO de EMERGENCIA

Estado de conexion (conectado)

AMARILLO

Activacion del primer cicIo

Fallo

NEGRO

ACTIVACION

VERDE

ARRANQUE

AZUL

I

Confirmacion

'@

Procesos hidraulicos

I Procesos neumaticos

I

I Procesos mecanicos

I

I Procesos ehktricos

I

I

2.10 Simbolos de funciones

Capitulo 3 Bases de la electricidad / electronica

A"7

La electricidad es una forma de energfa con efectos termicos, luminosos, magneticos 0 qufmicos. EI ser humano siempre tuvo problemas en entender la naturaleza de la electricidad a pesar de que la energia electrica es utilizada de las mas diversas formas en maquinas y equipos. Todos utilizamos diariamente de una u otra manera, alguna forma de electricidad 0 de electr6nica al encender una lampara o una radio, al usar una calculadora de bolsillo 0 un automovil. Lo importante es disponer de la electricidad, dandonos igual si proviene de 'una bateria. de una pila 0 de una central electriCa de cualquier tipo. Todo esta compuesto de atomos. Cada momo tiene un nucleo alrededor del cual giran electrones. Los atomos son extraordinariamente pequenos, por 10 que no los podemos distinguir a simple vista. Su diametro es de aproximadamente 1/10000000 mm. EI nucleo, par su parte, tiene un diSmetro 10000 veces mas pequeno que el diametro del atomo. EI diametro de un electr6n es 1/10 del diametro del nucleo.

EI atomo (modelo de Bohr) Electron

NucJeo atomos (griego) = indivisible

Esquema simplificado

Los eJectrones tienen una carga electrica negativa. Los electrones giran alrededor del nucleo del atomo en diversas 6rbitas. EI nucleo del atomo esta compuesto de protones y neutrones. Los protones tienen una carga electrica positiva, mientras que los neutrones son electricamente neutros (no tienen carga electrica). TOOos los cuerpos simples son determinados por la cantidad de sus electrones. Un cuerpo simple esta conformado por atomos iguales. Juntandose atomos diferentes se obtienen cuerpos de propiedades nuevas; dichos cuerpos son denominados cuerpos compuestos.

AO

Si eI nucleo del atomo tiene tantos protones como electrones que giran a su alrededor, entonces eI atomo es neutro, es decir, no tiene carga electrica que actue hacia afuera. Son neutros, por ejemplo, los atomos de lilio, aluminio y sicilio, tal como 10 muestran las siguientes graficas.

Esquemas simplificados Litio 3 protones 3 electrones 4 neutrones

Aluminio 13 protones 13 electrones 14 neutrones

Silicio 14 protones 14 electrones 14 neutrones

Si alrededor del nucleo del atomo giran mas electrones que la cantidad de protones que tiene el nucleo, el atomo tiene una carga negativa. Si, por 10 contrario, giran menos electrones alrededor del nucleo que la cantidad de protones que este tiene, entonces el atomo tiene una carga positiva. Los atomos que muestran estas caracteristicas son calificados de iones. lono (griego) = migrar

Dado que los electrones giran en diversas 6rbitas y a alta velocidad en tomo aI nucleo, es necesario que actue una fuerza de atracci6n para que los electrones se rnantengan en sus 6rbitas. En consecuencia, se apliea eI siguiente principio:

"CARGAS DEL MISMO SIGNO"

se repelen

"CARGAS DEL SIGNO CONTRARIO"

®e

Modelo delld:omo: EI~:

carga negativa

Modelo simplificado

Nucleo delld:omo: carga posidva

se atraen

En un circuito de agua son necesarias una bomba y tuberias. La bomba se encarga de conducir el agua hacia las tuber(as mediante presi6n. Ello significa que para que el agua avance por las tuber(as es necesario que exista una presi6n. La calefacci6n mediante agua caliente, por ejemplo, 'es un sistema de esa (ndole: la bomba transporta el agua siempre en la misma direccion.

Rueda de palas Tuberia

- - - ---­ -­

-----------------------­­ AI comparar la presion hidraulica 0 el circuito de agua con la tensi6n 0 el circuito eltktrico, puede constatarse que en el caso del circuito eltktrico tam bien es necesario que actUe una determinada presion. Una bateria es un buen ejemplo para ello. Existen diversas posibilidades para generar una tension ehktrica. 1. 2. 3. 4. 5.

Generaci6n de tension Generacion de tension Generaci6n de tension Generacion de tension Generaci6n de tension

p~r inducci6n por procesos electro-qu(micos por calor por luz por deformacion de cristales (piezo-electricidad)

Todas las formas de generacion de tension se basan en el principio de la separacion de cargas.

eee Tension "cero"

Tension "baja"

eee Tension "alta"

3.1

Tensi6n electrica

La tension electrica (sfmbolo empleado en las formulas U) puede medirse con un voltfmetro. La unidad de la tension electrica es eI voltiox (sfmbolo de la unidad = V)

x Volta: flsico italiano 1745 - 1827

La magnitud de la tension generada depende principal mente de cuatro factores: 1. Velocidad media del conductor 2. Oensidad del flujo magnetico 3. Longitud efectiva del conductor 4. Cantidad de conductores

La magnitud de la tension puede calcularse de la siguiente manera:

Uo=8·L·v·z

Uo = tension generada (voltios)

v

Vs m2 = velocidad media expresada en m/seg

L

= longitud del conductor expresada en m

z

= cantidad de conductores

8

EjempJo

= densidad del flujo magnetico

l.Cual es la tension si la densidad del flujo magnetico es de 1 VS/m2, la longitud del conductor es de 0,75 m, la velocidad media es de 1,5 m/s y la cantidad de conductores es de 150?

Uo= 8·L·v·z Uo

=

1 Vs . O,75m . 1,5 m/s . 150 m2

16,8 V

3.1.1 Generaci6n de tensi6n electrica por inducci6n

L

Si se mueve un conductor en un eampo magnetico, se induce una tension de corriente altema. La generacion de tension electriea con un iman se denomina induccion (tension inducida). Este tipo de generacion de tension electriea se apliea, por ejemplo, en las dfnamos (automoviles, bicicletas) y en los generadores (centrales electrieas). Funcionamiento de una dfnamo Rotor

lmanes

N

Material aislante

Corte seccionado

Rotor

, ~31 bj]j

3.1.2 Generaci6n de tensi6n electrica por electr6lisis

Si se sumergen dos placas de materiales diferentes (por ejemplo: placa de cinc = electrodo negativo; placa de cobre = electrodo positivo) en un liquido conductor, se obtiene un elemento galvanico. EI Ifquido conductor, como puede ser por ejemplo agua salina, es denominado electrolito.

Cobra Deficiencia de electrones

?--H-

-----------­

Excedente de electrones

SoIucf6n salina

AI sumergir las placas en el electrolito. los metales se cargan, con 10 que se

genera una tensi6n electrica. Tal tipo de generador de tensi6n es denominado'

"elemento galvlmico"x.

Ejemplos: baterfa de autom6vil, pila de linterna.

Entre dos electrodos diferentes en un electrolito se produce una tensi6n

contInua.

AI conectar una unidad receptora se cierra eI circuito a traves del Uquido

conductor. Los electrones fluyen en la linea exterior del polo negativo

(excedente de electrones) hacia el polo positivo (deficiencia de electrones). La

magnitud de la tension es determinada por el material de los electrones.

x Galvani: Cientffico italiano (1737 - 1798)

AI unir en un extremo un cable de cobre con uno de constantan y aI calentarlos, se produce una tensi6n de corriente contfnua. La tensi6n respectiva se situa en eI margen de milivoltios (mY).

Cobre

+

~ =~

(0

Conslantin

(l

Este tipo de generador de tensi6n electrica es denominado termoelementox. En

Ia practica los termoelementos son utilizados para efectuar mediciones de

temperaturas, par ejemplo en homos industriales.

Con ese fin es necesario calibrar eI voltfmetro respectivo en K eC).

En la siguiente tabla se indican algunos valores de temperaturas de diversos

termoelementos.

Combinaci6n de metales

Tensi6n termica mV /373 K

Umite superior de la temperatura

Cobre - Constantan

4,1

n3 K (SOO°C)

Hierro - Constantan

5,6

973 K (700OC)

Nfquel - Cromo - Nfquel

4,1

1173 K (900OC)

Nfquel - Platino

0,9

573 K (300°C)

x Thermos (griego) = caliente

3.1.3 Generaci6n de tensi6n ehactrica por calor

3.1.4 Generaci6n de tensi6n eh!ctrica por luz

Si sobre determinados materiales caen luz 0 rayos X. se desprenden electrones. Las celulas fotoelectricas se basan en este fenOmeno. Cuando incide luz sobre un elemento fotoelectrico se genera una tension de corriente continua.

Luz AnUlo de contacto Capade recubrirniento __

~~~L-

____~~~

-

Capa de barrera

Selenlo

Placa base

+

La aplicacion practica mas difundida de estos fotoelementos son los exposfmetros de camaras fotograficas. Tambien son utilizados para funciones de control 0 regulacion electronicos.

AI ejercer una presi6n 0 tracci6n sabre un cristal, se prcxJucen diferencias de cargas electricas entre deterrninadas superficies del cristaI. La tensi6n resultante puede tornarse en superficies conductoras. Si la presi6n y la tracci6n se alteman, la tensi6n de la comente electrica a1terna.

sera

.. ..

Tracci6n

0

presi6n

(x)Piezo (griego) = presi6n

Ejemplos de aplicaci6n practica:

Micr6fono de cristales, fonocaptor de cristales para tocadiscos.

Como ya se mencion6 antes, la tensi6n es expresada en vollies.

Si las tensiones son altas, se recurre a la unidad del kilovoltio.

1kV = 1 kilovoltio

La unidad aplicada para tensiones muy bajas es eI milivoltio. 1 mV

= 1 milivoltio

1 kV = 1000 V 1 kV = 103 V

1 mV = 0.001 V

1 mV = 10-3 V

Para medir la tensi6n electrica se recurre a un voltfmetro (medidor de tensi6n

electrica).

EI voltfmetro siempre es conectado en paralelo en relaci6n con la fuente 0 la

unidad receptora.

Si se mide una tensi6n de co mente contfnua tiene que ponerse cuidado en no

confundir los poIos.

,..." !nterruptor

+

Fuente de la comente

Unidad receptora

3.1.5 Generaci6n de tensi6n electrica por deformaci6n de cristales ( (x)piezo-electricidad)

3.2 Corriente eh!ctrica

Sabemos que la tensi6n electrica es una caracteristica que distingue, por ejemplo a una pila. Para que pueda fluir una corriente electrica es necesario crear un circuito compuesto de las siguientes partes: fuente, cables, interruptor y unidad consumidora.

Unklad consumidora

Direcci6n tacnica de Ia corriente

Deficiencia de

electrones .

+

Fuente de la,

corriente

.

ee eee aa

Intenuptor F1ujo de electrones

..

Excedente de electrones

Los electrones se desplazan del polo negativo hacia el polo positivo cuando se cierra el circuito. Este es la direcci6n en la que se desplazan los electrones. No obstante, aparte de los portadores de carga negativa tambien hay portadores de carga posit iva. La direcci6n del movimiento de los portadores de carga positiva es de polo positivo a polo negativo, por ejemplo en un acumulador. Cuando en la fisica aun no se habran estudiado los electrones, se supuso que la direcci6n de la corriente era determinada por los portadores de carga positiva.

La corriente de los electrones se entrenta a diversas resistencias en un circuito (resistencia del conductor, resistencia de la unidad consumidora). En consecuencia, la magnitud de la corriente electrica es determinada por eI valor de la resistencia y por la tensi6n electrica.

La corriente electrica es expresada en amperios(x) (A) (sfmbolo en la f6rmula = I). 1A 1 kA

=

1000 rnA 1000 A

Para medir la corriente electrica se utilizan amperfmetros.

(x) Ampere: Maternatico y ffsico frances 1nS-1836

Interrupter

+ Fuente

Unidad . consumidora

Amperfmetro

EI amperfmetro debera conectarse en serie en relaci6n con la unidad consumidora.

La corriente electrica es de diversos tipos y tiene varios efectos que son detallados en las tablas incluidas en las siguientes paginas.

r:n

3.2.1 npos de corriente electrica

Denominaci6n

Tipos de corriente

Corriente contfnua Sfmbolo:

Aplicaciones {ejemplos) Elemento Baterfa

Corriente

Tiempo Corriente continua es una corriente electrica siempre en el mismo sentido y con una intensidad constante a 10 largo del tiempo. Re6stato Dinamo de bicicleta

Corriente alterna Sfmbolo: Corriente

Corriente alterna es una comente electrica que cambia constantemente de sentido y de intensidad. Corriente

mixta

srmbolo:

Corriente

Tiempo Comente mixta es una comente electrica que combina una parte de corriente continua y otra de corriente alterna.

Denominaci6n

Figura

Manifestaci6n

Ejemplos

Siempre

Estufa Calefacci6n

0.0 que no

siempre es deseable) (calentamiento

Efecto termico

Lampara calefactora

del

conductor)

Efecto

magnetico

Reles

(cuando circula

Conta ctores

corri~~e par

Electroirnan

conductores)

Efecto luminoso

Siempre

g)

Corriente en gases Filamento luminoso

r::--' ~

Lampara de efluvios Lampara fluorescente

Bombilla

~

t· ~

Efecto

qufmico

-:11~_7-:-_:'_::: :;_:;_:._:_: ~ I~-=--=-=-=-=--~

Corriente en Ifquidos conductores

Proceso

de carga

y descarga

de acumuladores

3.2.2 Efectos de Ia corriente electrica

3.3 Peligros de la corriente electrica

Las corrientes de mas de 50 rnA (0,05 A) pueden causar la muerte de seres hurnanos si son conducidas a traves del coraz6n.

Los cuerpos hurnanos y anirnales son conductores electricos. La corriente electrica puede causar quemaduras y espasmos musculares. Si la corriente fluye a traves del coraz6n, provoca una as( lIarnada ''fibrilaci6n cardfaca", 10 que puede tener como consecuencia un paro cardfaco e interrupci6n de la respiraci6n. E110 significa que en la practica tienen que acatarse las normas de seguridad correspondientes para evitar accidentes.

Efecto de la corriente en eI cuerpo humano

0,3 rnA

Ifmite de detecci6n

1 rnA

susto

10 rnA

espasmo muscular

30 rnA

perdida del conocimiento

50 rnA

fibrilaci6n cardfaca (muerte)

Para transportar la energfa hacia la unidad consumidora, tiene que conducirse la corriente electrica desde eI generador hacia la unidad consumidora a traves de un sistema de conductos Ofneas de comente).

3.4

Resistencia electrica

Se trata, pues, de tres facto res que influyen la comente electrica. La unidad de la resistencia es eI ohm (x) (sfmbolo de la unidad: 0) (sfmbolo en f6rmuJas: R).

(x)

Ohm: Ffsico aleman 1787 - 1845

Insistiendo en la comparaci6n con un circuito hidniuJico. podemos constatar que la resistencia yarra en funci6n del diametro y la longltud de la tuberfa par la que fluye el caudal de agua. En los conductos electricos se observan procesos similares. La resistencia es mayor cuanto menor es eI diametro y mayor es la longltud del conductor.

Electrones

Agua

e ---;:=-:=-=-..=,--­ -==~

~~--:.

Comente de ag~

Comente de e1ectrones

Diversos materiales de dimensiones identicas ofrecen resistencias diferentes a la comente electrica. Un conductor de poca resistencia es un buen conductor de comente e1emrica. En ese caso se aplica eI concepto de buena conductancia. Y viceversa, un conductor de gran resistencia tiene una mala conductancia. EI oro, la plata. eI cobre y eI a1uminio tienen un valor de resistencia bajo, par 10 que su conductancia es buena.

3.4.1 Resistencia de cuerpos conductores

3.4.2 Resistencia de las unidades consumidoras

Esta resistencia depende del rendimiento de la unidad conumidora. En este tipo de resistencia, la energfa electrica es transformada en calor total mente (por ejemplo tratandose de aparatos calefactores) 0 parcial mente (por ejemplo, motores). Algunos valores indicativos:

p. ej.

3.4.3 Resistencia del aislamiento

aparatos calefactores bombillas

20 hasta 200 0 40 hasta 6000 0

Para aislar los conductores se utilizen materiales de mala conductancia. En la practica sena ideal contar con un material de una resistencia infinita, 10 que sin embargo no es posible. Valores satisfactorios de aislamiento En aparatos de baja tensi6n En aparatos de alta tensi6n

5000000 10000000 0

Materiales aislantes

Vicino, betun, aceite, goma, PVC, cart6n, p~rce/ana, baquelita, etc.

En la tabla de esta pagina se indican la conductancia y la resistencia especffica

de conductores electricos.

La conductancia es expresada con la letra griega especffica con .... (rho).

K

(kappa) y la resistencia

En la tabla se incluyen algunos materiales conductores y aislantes.

Conductancia y resistencia especffica Material Materiales conduc­ tores

Conductancia

Resistencia especlfica

m/O mm 2

Omm2/m

Plata

60

Cobre Cinc

56 35 16

0,016 0,017

Hierro

7,7

0,13

Niquelina

2,5

0,14

Manganina

2,3

0,43

Constantan

2

0,5

Cromo-Nrquel

1

1

Aluminio

Materiales aislantes

,..."

0,028 0,062

Entretanto estamos familiarizados con los tres conceptos de tension, corriente 3.5 y resistencia. Estas tres magnitudes estan relacionadas entre sf en un circuito,

de una manera determinada .

Segun la ley de Ohm, en un circuito electrico la intensidad de la corriente

aumenta en la misma proporcion que la tension.

Si aumenta la tension 0 disminuye la resistencia, la corriente aumenta en la

misma proporcion; si disminuye la tension 0 aumenta la resistencia, la corriente

disminuye correspondientemente en la misma proporcion.

Algunos ejemplos de calculos:

Una bombilla para U = 220 V R = 500 Q

incognita: I (intensidad de la corriente)

l,Cuanta corriente consume la bombilla?

1=

U

R

220 = 500

= 0,45 A

Una estufa para 220 V de tension elect rica consume 10 A. l,Cual es la resistencia de la unidad consumidora? U = 220V

1=10

R= U = 220 = 22 10

R=? Q

Una taladradora eh~ctrica consume 2,73 A.

la resistencia es de 80,8 Q.

l,Que tension debera aplicarse para esta maquina?

U= I· R·I U = 2,73 . 80,8

= 220,58 V

g2Q..Y

Ademas, la ley de Ohm tam bien indica 10 siguiente: Si aumenta la resistencia R y se mantiene constante la tension U, la intensidad I disminuye proporcionalmente.

La ley de Ohm

Ejemplo

Tension constante U = 220 V Resistencia R1 50 Q, R2 100 Q, Ra 150 Q Inc6gnita: I

1= -

U 220 = R1 50

= 44A '

220 U 1=-=-=22A R2 100 ' U 220 1=-=-=22A Ra 150 ' En muchos aparatos electricos es necesario que se mantenga contante la intensidad de la corriente aunque cambie la tensi6n 0 la resistencia.

Ejemplo

Un aparato electrico tiene que ser alimentado con una intensidad invariable de 100 rnA a pesar de que la tension oscila entre U1 =2OV, U2 = 25V Y U3 = 28V. En consecuencia. deberan hallarse las resistencias que mantengan invariable fa intensidad.

R1= -

U1 20 = - - = 200Q 1 0.100

R2= -

U2 25 = -I 0,100

Ua 28 R3= -1- = 0,100

= 250Q 280 Q

Este calculo nos indica 10 siguiente: Si la tensi6n y la resistencia aumentan en la misma proporci6n. la intensidad de la corriente no varia.

Tal como observaramos en la corriente de agua, constatamos que una bomba se encarga de transportar un caudal determinado a traves de la red de tuberfas. Si en vez de una bomba se recurre a una turbina, entonces puede transformar se la energfa cinetica de la corriente de agua en un movimiento giratorio (molino de agua). Un ejemplo en este sentido serfa una central hidraulica.

EI agua que cae p~r el tubo actua sobre las paletas de una turbina. Este movimiento es transmitido por un eje, el que a su vez acciona un generador. La potencia de la central hidraulica depende de la cantidad de agua y de su presi6n. Ello significa que se produce un proceso de transformacion de energfa mecanica en energfa electrica. Todos los aparatos electricos estan provistos de una placa 0 etiqueta de identificacion, en la que se indican, entre otros, la potencia, la intensidad, la tension y los tipos de proteccion. Tratandose de corriente contfnua, la potencia electrica se obtiene segun la siguiente ecuacion: potencia = tension . intensidad La potencia electrica se expresa en vatios. La denominaci6n proviene del cientffico ingles James WATT 1736 - 1819. La potencia mecanica se expresaba antes en C.V. (caballo vapor). No obstante,

la norma establece desde el ano 1978 que la potencia de los motores (incluyendo los de los automoviles) tiene que expresarse en kW. 1 W = 1000mW 1000 W = 1 kW

1CV= 736W

1 kW = 1,36 CV

3.6 Potencia electrica

3.7 Algunos c6lculos a modo de ejemplo

F6rmula para calcular la patencia p = U·I

P = 12. R

o

Ejemplo

U2

P=R

Una estufa esta prevista para 220 V Y consume lOA. tCuBI es la potencia total del aparato? P = U . I

Ejemplo

= 220 V . 10 A = 2200 W

= 2,2 kW

Una calculadora de boIsilio esta prevista para U=3V Y consume I=O.OOOllA

tOue potencia consume la calculadora? P = U . I

3.8 Magnetismo

= 3 V . 0.00011 A = 0,00033 W

EI rnagnetismo es un efecto esencial e importante de la corriente electrica. EI funcionamiento de los reles y de los contactos electrornagneticos, usados con frecuencia en la practica. se basan en eI rnagnetismo electrico. EI electrornagnetismo es influenciado par 3 fundamentos:

1. Todo conductor por eI que fluye una corriente electrica crea un campo rnagnetico. 2. La direcci6n de Ia corriente en eI conductor define la direcci6n de las Ifneas de fuerza. 3. La intensidad de la corriente en eI conductor define la intensidad del campo rnagnetico.

Campos magneticos de conductores

Uneas de fuerza

Corriente electrica entra

Corriente electrica sale

En una bobina, por ejemplo, por la que fluye una corriente electrica, se forma un campo magnetico. Este campo rnagnetico puede actuar sobre otras unidades tecnicas, procurando la funci6n conmutadora de reles y de contactos electrornagneticos.

La direcci6n de las Ifneas de fuerza puede deterrninarse por la "regia del sacacorchos". AI hacer avanzar eI sacacorchos en sentido contrario a la corriente de electrones, su sentido de giro coincide con eI de las Ifneas de fuerza. Si la corriente que circula por eI conductor es alterna, tambien se crea un campo rnagnetico. Sin embargo, en este caso dicho campo cambia constantemente de valor y de sentido, por 10 que es denominado campo magnetico altemante. Tratandose de corriente contrnua, eI valor y eI sentido del campo rnagnetico no varfan. Enrollando un hilo conductor en forma de espiral, se otiene una bobina con una cantidad deterrninada de espiras. Cada una de las espiras crea Ifneas de fuerza circulares dispuestas en serie.

Direcci6n de las Ifneas de fuerza

3.9

EI condensador

EI condensador est! compuesto par dos placas conductoras separadas por una capa aislante lIamada "dielectrico".

Interruptor

+

+

.,.. + +~---I+

---.... + Carga elSctrica + +

..

F1ujo de electrones

u Piacas conductoras

AI cerrar eI interruptor ftuye brevemente una comente de carga, par 10 que ambas placas tienen cargas electricas opuestas. La unidad de la carga electrica es eI amperio-segundo (As). EI sfmbolo de la unidad es C (Culombios)(x).

Un condensador tiene la carga de 1C(xx) si ftuye una carga de 1 amperio en ellapso de 1 segundo.

Q = carga I = corriente t = tiempa

(x) (xx)

"7n

lC = lAs = lA· 18

Charles Coulomb: Ingeniero frances 1736 - 1806 1C correspande a 6,242· 1018 electrones

Si entre las dos placas se caleca una capa aislante, se reduce la tension entre las dos placas. EI aislante (dielectricO(xl) provoca una condensaci6n de la carga electrica sobre las placas.

Dielectrico Interruptor _

".,

.J.­

+~

-

+++ ++ +++ +++

.----~+++

carga electrica

++

++ +++ +++

u E1ectrones

-

Placas 0 annaduras

EI condensador es capaz de almacenar carga electrica.

La carga de un condensador au menta cuanto mayor sea su capacidad y

cuanto mayor sea la tension. La unidad de la capacidad es eI amperio­

segundo por voltio (AsN). Esta unidad es denominada faradio(xx) y su sfmbolo

es F.

Q C U

= carga

= capacidad

= tension

Q = C·U

EI valor dielectrico de un material aislante indica cuantas veces es superior la capacidad de un condensador si en vez de usar aire como dielectrico se utiliza un material aislante.

La constante dielectrica es una constante del material aislante. Dicha constante es de E(XXX) (epsilon) = 0,885 . 1011 AsNm para eI espacio vacfo (y tambien para eI aire). La constante dielectrica se calcula multiplicando la constante dielectrica del vacfo (Eo) con eI valor dielectrico del material aislante (er).

Eo

(xl (xx) (xxx)

= constante dielectrica del vacfo

er

= valor dielectrico del material

E

= con stante dielectrica

diOat.) = dos, doble; electricumOat.) = electricidad Michael Faraday: Ffsico ingles 1791 - 1867 E = epsilon: letra griega

Valor dielectrico de algunos materiales aislantes 2,1 .... 2,4 4

Aceite para transformadores Cart6n Porcelana Papel de celulosa Ceramica

5 .... 6 4 10 ..•. 50000

La capacidad de un condensador depende de la superficie de las placas cargadas, de la distancia entre dichas placas y del valor dielectrico tr del material aislante!

c=

Ejemplo de caJcuio

f.' A

Capacidad

d

=

Epsil6n. superficie de las placas Distancia entre placas

Un condensador de placas esta compuesto de dos placas que tienen una superficie de 300cm2 cada una. La distancia entre las p1acas es de 3mm. l.Que capacidad tiene eI condensador si eI material aisJante es a) cart6n con un valor dielectrico de f.r b) porcelana con un valor dielectrico de f.r

Soluci6n

4 6?

a)

c=

0,0885 . 4 . 300 0,3

= 106,2 0,3

= 354 pF

b)

c=

0,0885 . 6 . 300 0,3

= 159,3

= 531

1 Microfaradio = 1 JJ.F = 10-6 F 1 Nanofaradio = 1 nF = 10-9 F 1 Picofaradio = 1 pF = 10-12 F

.""

= =

0,3

pF

Si se conecta un condensador a comente contfnua, fluye una comente de carga. EI condensador cargado bloquea el paso de la comente continua. EI tiempo de carga y descarga sera tanto mayor, cuanto mayores sean la resistencia y la capacidad.

Posici6n

~.........~-r

Accionamiento manual auxiliar

Posicion conmutada

4.4.1 Electrovalvula de 2/2 vias de accionamiento manual

4.4.2 Electrovalvula de 3/2 vias de accionamiento manual

Se trata de una vatvula de asiento accionada unilateral mente y con reposici6n par muelle. La valvula esta cerrada en pasici6n nonnal. Una seiiaJ electrica en la bobina crea un campa magnetico que desplaza al inducido hacia arriba, separandolo de su asiento. EI aire comprimido fluye de la entrada 1 (P) hacia la salida 2 (A); el inducido bloquea eI taladro de escape 3 (R). Si desaparece eI campo magm§tico, eI muelle vuelve a presionar al inducido sobre su asiento. De este modo se bloquea eI paso de 1 (P) hacia 2 (A) Y eI aire del conducto neumatico pasa de la conexi6n 2 (A) hacia 3 (R). EI sistema auxiliar de accionamiento manual tam bien permite en este caso efectuar una conmutaci6n manual de la vatvula de 3/2 vfas. Aplicaciones: mandos con cilindros de simple efecto, control de otras valvulas, conexi6n y desconexi6n de aire a presi6n en los mandos.

Posici6n normal

Posici6n conmutada (AI

,.

(R)

3

11A

~ (PI (AI

(R)

3

Se trata tam bien de una valvula de asiento con dos posibles posiciones de conmutaci6n, estando abierta en posici6n normal. EI aire comprimido pasa de 1 (P) hacia 2 (A). La valvula conmuta por efecto de una serial electrica en la bobina. EI conducto 2 (A) es desaireado por la conexi6n 3 (R) mientras que eI inducido bloquea la conexi6n 1 (P). Estas wlvulas son utilizadas si es necesario que un cilindro de simple efecto tenga su posici6n normal en el final de carrera delantero 0 si tiene que emitirse una selial en a1guna posici6n sin que antes se haya producido una seiial electrica.

Posicion normal

Posici6n conmutada 2 (AI

F7jT\lh~ IIPJ

l1PJlRJ3

~ .~

-::..~ .";'

Inl /""7"'1._-'

21AJ

11 "

4.4.3 Electrovalwla de 3/2 vias abierta en posici6n

normal

4.4.4 Electrov41wla de 3/2 vias celTada en posici6n normal (servopilotaje, accionamiento manual)

Para evitar que las bobinas de las valvulas sean demasiado grandes pueden utilizarse valvulas con servopilotaje neumatico. EI funcionamiento de la unidad respectiva es similar al de las electrovalvulas de 3/2 vias descritas antes. La diferencia estriba en el accionamiento directo del em bolo. Una senal electrica tiene como consecuencia que el inducido abra el paso. EI embolo de la valvula conmuta por efecto del aire que pasa de la conexi6n 1 (P) a traves del canal de aire hacia eI inducido y prosigue hacia el embolo de la valvula. EI estado de conmutaci6n de 1 (P) hacia 2 (A) se mantiene mientras este aplicada la senal electrica en la entrada. EI accionamiento manual auxiliar permite el paso del aire hacia el em bolo de la valvula. Tratandose de valvulas servopilotadas es absolutamente necesario acatar las presiones minimas y maximas.

Posicion normal

2

(AI

Posicion conmutada

!7mITI~~ 1(P)(RI3

Inducido ----4IHHH:!+­

I""'=~."'-

eanai

lIP)-£>

de aire

lIPl-£>

Accionamiento manual auxiliar

La v81vula de 4/2 vias esta compuesta por 2 v81vulas de 3/2 vl'as y tiene la funci6n de controlar un cilindro de doble efecto 0 de encargarse del control de otras vatvulas. Una sena! electrica tiene como consecuencia que eI inducido abra eI paso. 8 aire comprimido que pasa por eI canal de aire de prepilotaje actUs sobre los dos embolos de la vatvula permitiendo Ia conmutaci6n respectiva. En estado de conmutaci6n esra abierto eI paso entre las conexiones 1 (P) Y 4 (A); la conexi6n 2 (8) expulsa aire en direcci6n de la conexi6n 3 (R). Cuando se interrumpe la senal electrica, ambos embolos de la valvula vuelven a su posici6n normal, con 10 queda abierto eI paso de 1 (P) hacia 2 (8) mientras que la conexi6n 4 (A) expulsa aire par la conexi6n 3 (R). EI accionamiento manual permite conmutar la v8lvula.

Posici6n normal

PosiciOn conmutada 4 2

~ 1(PIIRI3

Acdonamiento manual auxiliar Embolo de la valvula



4.4.5 Electrovalwla de 4/2 vias (servopilotaje, accionamiento manual)

4.4.6 Electrovalwla de 5/2 vias (servopilotaje, accionamiento manual)

Esta valvula asume las mismas funciones que la electrovalvula de 4/2 vas. 8implemente se trata de otro sistema constructivo. La electrovatvula de 4/3 vias es una valvula de asiento, mientras que la electrovalvula de 5/2 vias es una valwla de corredera Una sefial elearica provoca la conmutaci6n del inducido. EI aire atraviesa eI canal de aire en direcci6n del embolo de la vatvula, conmutandolo. En eI centro de Ia valvula esta abierto eI paso de 1 (P) hacia 4 (A) 0 hacia 2 (8) por efecto de una junta (asiento). La purga de aire se produce

de 4 (A) hacia 5 (R) 0 de 2 (8) hacia 3 (8).

Interrumpiendo la sefiaI electrica, la valvula vuelve a su posici6n normal por

acci6n del muelle de reposici6n. quedando abierto eI paso de 1 (P) hacia 2 (8).

Posici6n normal

Posici6n conmutada 4 2 (A)e)

~ 1(P)

Bobina

Accionamiento manual auxillar

41AI 2(81

11A



Es necesario disponer de dos senales para efectuar la conmutacion, al igual que en la neumatica. Una senal de entrada en Y1 (electrica) tiene como consecuencia que el embolo de la valvula se desplace hacia la derecha en la parte neumatica. La conexion 1 (P) expulsa aire por 2 (6) Y la conexion 4 (A) 10 hace por 3 (A). La conmutacion se produce por una breve senal (impulso) yel embolo de la valvula mantiene esa posicion hasta que la entrada Y2 (electrica) recibe una breve serial (impulso). Si la entrada Y2 recibe una serial, el embolo de la valvula se desplaza hacia la izquierda. De este modo se permite el paso de aire de 1 (P) hacia 4 (A) Y la purga de aire de 2 (6) hacia 3 (A). Esta electrovalvula se encarga de convertir seriales electricas en senales neumaticas y, ademas, es capaz de memorizar dichas seriales. Es importante tener presente que predomina la primera sef1al que lIegue. Aplicaciones: Control de cilindros de doble efeeto. Memoria de seriales electricas en la parte neumatica. En los capitulos que se refieren a los circuitos basicos y al desarrollo de esquemas de distribucion se recurre a este tipo de equipos.

4 2 IAIIBI

rill! !I XFWJ 1(PIlRI3

31RI

41AI

4.4.7 Electrov8lvula de 4/2 vias (impulso eh~ctrico bilateral)

4.4.8 Electrov8lvula de 5/2 vias (impulso electrico bilateral)

Esta unidad asume las mismas funciones que la anterior. La diferencia estriba en que se trata de una valvula de asiento longitudinal y no de una de corredera longitudinal. La conexi6n 2 (8) es aireada por separado por la conexi6n 3 (5). Esta electrovalvula tambien es una valvula con servopilotaje y accionamiento manual auxiliar.

lSI lSI (PIIA) (RI 3 2 1 4

5

....

lSI IBI (PI IAI IRI 3

2

1 4

5

Esta combinacion de valvulas estci compuesta de cuatro valvulas de 2/2 vias. En posicion normal estcin cerradas todas las conexiones. Los conductos no tienen purga de aire. La activacion es electrica. En su posICIon normal estas valvulas mantienen las posiciones correspondientes de cilindros de doble efecto. Sus aplicaciones son el posicionamiento y la parada de emergencia.

4 2

(AlIBI

'f

llPI (

i·

Posicion normal: Todas las salidas estan bloqueadas. Los muelles rnantienen este estado.

4.4.9 Electrovalvula de 5/4 vias

La valvula conmuta cuando la bobina Y1 recibe una serial electrica. EI paso esta abierto entre las conexiones 1 (P) Y 4 (A); eI aire evacua de la conexion 2 (6) hacia la conexion 3 (8). EI cilindro se des plaza en una direccion. La interrupcion de la senal en Y1 activa de inmediato la funcion de bloqueo, con 10 que la presion queda aplicada en eI cilindro.

'f

11P)

La vatvula ocupa otro estado de conmutaci6n cuando la bobina Y2 recibe una seiial. De este modo queda abierto eI paso de las conexiones 1 (P) hacia 2 (8) Y de 4 (A) hacia 5 (R). EI cUindro se desplaza en Ia direcci6n opuesta. La interrupci6n de la seiial en Y2 activa de inmediato la funci6n de bloqueo. EI cilindro rnantiene la posici6n correspondiente (estando bajo presi6n). 4 2 (AIIBI-

.

[t~ml~lllill£~

51RIISl3 liP)

~

liP)

Si las bobinas Y1 e Y2 reciben una sefial, se produce Ia cuarta posici6n de conmutaci6n. En esta posici6n todos los embolos dejan libre eI paso, con 10 que todos los conductos evaCUan aire. EI cilindro acoplado detras de la valvula asume una posici6n arbitraria sin presi6n. Por interrupci6n de ambas sefiales todas las vatvulas vuelven a su posici6n normal quedando bloqueados los conductos por acci6n de los muelles.

4.5 Convertidor de seftales neumatico-electrico PE

Una serial neurnatica en la entrada X desplaza un pequeno embolo que activa un microinterruptor. Este emisor de seriales electncas actua a1temativamente como interrupter normal mente cerrado 0 abierto 0 como conmutador. PJ interrumpir la sei'ial de entrada en X eI embolo vuelve a su posicion normal por accion de un muelle. con 10 que queda libre eI emisor de senales electricas. EI margen de presiones abarca desde 0,8 bar hasta 10 bar.

x

~ 2 4

Microinterruptor (conmutador)

La siguiente grafica muestra una construcci6n diferente.

•

x

EI margen de presiones abarca desde 1,5 bar hasta 8 bar.

1?.4

Con la unidad que se muestra en esta pagina pueden convertirse senales neumaticas en senales electricas en un sistema de baja presion. Un actuador de mando neumatico actua sobre un microinterruptor que funciona alterna­ tivamente como interruptor normal mente abierto 0 cerrado. EI actuador de mando neumatico funciona de la siguiente manera: EI aire comprimido (de baja presion de 0.1 hasta 0.25 bar) entra por la conexi6n 1 (P). EI aire sale al exterior a traves de la salida de evacuacion 3 (r). Si la entrada X recibe una senal neumatica una lamina es desplazada hacia arriba, con 10 que se bloquea el paso de 1 (P) hacia 3 (R). Ello significa que eI aire a presion proveniente de 1 (P) actua sobre la membrana, la que a su vez actua sobre el interruptor. Este mantiene su posicion mientras que Ia senal de entrada continue en X. EI margen de respuesta de la selial en X es de 0,5 mbar hasta 250 mbar. EI consumo de aire constante en estado normal es de 0,7 hasta 2 I/min.

3 Evacuaci6n de aire Lamina

1(P)

Membrana Microinterruptor

1(~=UlEj 2J 4I ~

4.6 Convertidor de seliales neumatico-eh~ctrico PE para sistemas de baja presion"

4.7 Convertidor de senales neumatico-electrico (presostato)

Este interruptor regulable neumaticamente (por presi6n) tiene la funci6n de convertir senales neumaticas en seiiales electricas. Si la entrada X recibe una senal, la membrana actua sobre un empujador. No obstante, ello solo ocurre si la presi6n en la entrada X es mayor a la fuerza que se haya ajustado en eI muelle. Dicho ajuste se efectlla mediante un tornillo. Si la presi6n es mayor que la fuerza del muelle, una palanca actlla sobre un microinterruptor conmutador. La senal electrica de salida se mantiene mientras que la senal de entrada en X tenga la presi6n necesaria.

1-C ~

-C~

Centrado par presi6n

~~

Centrado par muelle

~~

Accionamiento indirecto par aumento de la presi6n (servopilotaje)

-C

Accionamiento indirecto par disminuci6n de la presion

-C

Accionamiento par aumento de la presi6n mediante amplfficador (sin normalizar)

-C

Accionamiento indirecto par aumento de la presi6n y mediante amplfficador (sin normalizar)

-eC

Accionamiento par aumento de la presiOn; efecto alternativo (sin nonnalizar)

+-]

1"7Q

Accionamiento combinado Electroiman y valvula auxiliar de servopilotaje

Electroiman 0 valvula auxiliar de servopilotaje

Electroiman 0 accionamiento manual con muelle de recuperacion

rITC

E ~ Sfmbolo general

+ Indicar explicacion en nota al pie de pagina

17Q

7.2.7 Elementos complementarios

Man6metro

Man6metro diferencial

Amplificador

Amplificador (por ejemplo de 0,5 mbar a 100 mbar)

4~f0

Amplificador de caudal

Valvula de 3/2 vras con amplificador (por ejemplo de 0,1 bar a 6 bar)

Convertidores de seliales (sin normalizar)

Eh~ctrico-Neurnatico

Neurnatico-Electrico

1M

4~f-

~f:tl,~fM

I"fl

t?m

Contador de sustraccion

~1{2~ 1

Contador diferencial

~

~

~

~

14

Contador de adicion

Termometro

Caudalfmetro (caudal)

10

cp V

Contador totalizador (volumen)

-©-

Contacto electrico por presion

_l~ 2

4

181

Contadores

Sensor de presi6n

Sensor de temperatura

Sensor de caudal

Indicador

7.2.8Interruptores de contacto I Simbolos especiales Elementos de conmutaci6n (Sin norma)

~

~ -V-0

Detector reflex

~

Tobera en general; en especial: tobera para barrera deaire

1-­

Tobera receptora de barrera de aire

Detector por obturaci6n de fuga

Barrera de aire en horquilla

1R'

11

~

B (lSE

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