Electronica Digital

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica UNIDAD PROFESIONAL CULHUACAN

ELECTRÓNICA DIGITAL APLICADA APUNTES

Profesor: M. en C. Donaciano Quintero Mejía

6° SEMESTRE DE INGENIERÍA MECÁNICA

ELECTRÓNICA DIGITAL. IPN ESIMECU/ D. QUINTERO M.

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CARRERA: Ingeniería Mecánica.

ASIGNATURA: Electrónica

Digital Aplicada

PROGRAMA

SEMESTRE: Sexto.

GENERAL

OBJETIVO GENERAL:

El alumno diseñará circuitos de control para motores de CD, CA, y motores a pasos incluyendo PLC´S en procesos de control de equipo eléctrico.

CONTENIDO SINTÉTICO: I Introducción a la Electrónica de Control II Compuertas Lógicas III Circuitos Integrados IV control Electrónico de Motores a Pasos V Controladores Industriales por PLC´s VI Microcontroladores METODOLOGÍA: Elaboración de tareas y trabajos de extra clase. Solución de problemas. Dinámicas grupales en clase. Realización de prácticas de laboratorio. Elaboración de un proyecto de aplicación. EVALUACIÓN Y ACREDITACIÓN: Aplicación de tres exámenes parciales. Evaluación de tareas, trabajos. Participación activa en clase. Acreditación de Laboratorio. Presentación de un proyecto de aplicación. BIBLIOGRAFÍA: * Timothy J. Maloney, Electrónica Industrial, Editorial Prentice-Hall, Hispanoamericana S.A. primera edición, 1983, 567 páginas. * Robert Rosenberg, B.S.M. A. Reparación de Motores Eléctricos, 1° y 2° Tomo. Editorial Gustavo Gili, séptima edición, 1970, 400 páginas. * Jimmie J. Cathe, Dispositivos Electrónicos y Circuitos. Editorial McGraw Hill, Serie Shaums´s, primera edición, 1991, 353 páginas. * Enrique Mandado Pérez y Jorge Marcos Acevedo. Controladores Lógicos y ELECTRÓNICA DIGITAL. IPN ESIMECU/ D. QUINTERO M.

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Autómatas Programables. Editorial Alfa omega, segunda edición, 1999. 393 páginas.

ÍNDICE GENERAL UNIDAD I INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE CONTROL 1.1 Elementos de Control Electrónico......................................................11 1.2 Control Básico en Equipo Eléctrico.............................................….13 1.3 Detectores en Aplicaciones Industriales de Control………………....15 1.4 Circuitos de Control……………………………………………………….18 UNIDAD II 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

COMPUERTAS LÓGICAS Introducción………………..………………………………………………19 Compuertas AND………………………………………………..............20 Compuerta OR…………………………………………….……….……..21 Compuertas NOT…………………………………………………………..22 Combinaciones y Aplicaciones…………………………………….……..23 Simulación con Compuertas Lógicas……………………………….……32 UNIDAD III

CIRCUITOS INTEGRADOS 3.1 Selección de Circuitos Integrales en aplicaciones de Potencia y Control………………………………………………………..35 3.2 Operación con Equipos de Control por Medio de Tiristores y Triac´s……………………………………………………….37 3.3 Aplicaciones en Variadores de Velocidad…………………………………41 UNIDAD IV CONTROL ELECTRÓNICO DE MOTORES A PASOS 4.1 Introducción……………………………………………..………………….47 4.2 Procedimiento para Controlar un motor a Pasaos……………………..50 4.3 Aplicaciones……………………………………………………………….58 UNIDAD V CONTROLADORES INDUSTRIALES POR PLC´S. 5.1 5.2 5.3 5.4

Introducción a los PLC´S………………………………………………….62 Tipos de Programación de PLC’s.………………………………………..63 Programación Básica de PLC’s….………………………………………68 Aplicaciones………………………..………………………………….…...71

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UNIDAD VI MICROCONTROLADORES

6.1 Introducción………………………………………………………..…..…..75 6.2 Principios de Funcionamiento…………………………………..……….80 6.3 Fundamentos de Programación……………………………………….....81 6.4 Aplicaciones………………………………………………...86

RESUMEN

1 INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE CONTROL………………….89 2 COMPUERTAS LÓGICAS……………………………………………………93 3 CIRCUITOS INTEGRADOS……………………………………………….….99 4 CONTROL ELECTRÓNICO DE MOTORES A PASOS……………….…102 5 CONTROLADORES INDUSTRIALES POR PLC´S……………………....104 6 MICROCONTROLADORES…………………………………….……………115

GLOSARIO DE TÉRMINOS…………………..………………..…………..…..120

COMENTARIOS Y FIN DE PÁGINA………………………………………………..…………..131

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UNIDAD 1 1. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE CONTROL DEFINICIONES BÁSICAS E HISTORIA DE LA ELECTRÓNICA DIGITAL 1.a ELECTRÓNICA La definición de Electrónica admitida más ampliamente es la realizada por Millman y Seely, posteriormente adaptada por el Institute of Radio Engineers (IRE), a saber: "Es el campo de la Ciencia y la Ingeniería que trata de dispositivos electrónicos y de su utilización, entendiendo por dispositivo electrónico aquel en el que tiene lugar la conducción por electrones a través del vacío, de un gas o de un medio semiconductor." Según el Diccionario de la Real Academia Española es: "La ciencia que estudia dispositivos basados en el movimiento de los electrones libres en el vacío, gases o semiconductores, cuando dichos electrones están sometidos a la acción de campos electromagnéticos. Aun así, en las definiciones no se da contenido preciso al concepto de dispositivo, al tiempo que se concede una importancia fundamental al electrón, cuando la Tecnología Electrónica se ocupa, fundamentalmente de los dispositivos, los circuitos y los sistemas. Para tratar de precisar el concepto de dispositivo electrónico es necesario recurrir a su evolución histórica. En todo caso, resultan destacables la aparición de la palabra “dispositivo electrónico” y la idea de que estos dispositivos, junto con otros componentes y técnicas permiten la materialización física de los circuitos y sistemas ideados por una serie de campos de la ingeniería de reciente desarrollo, fundamentalmente las Telecomunicaciones, la Informática y la Automatización de procesos. En la actualidad es cada vez más difícil no encontrarse día con día con un producto con la tecnología digital. Ciertamente, el ejemplo más representativo de estos es la computadora digital, sin embargo, lejos de ser el único este pertenece a una amplia gama de productos que cada día se renueva, se perfecciona y crece. Los ejemplos actuales van desde computadoras digitales y calculadoras de bolsillo hasta video

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juegos, relojes digitales, medidores, controladores industriales, electrodomésticos, aparatos de comunicación, etc... Algunos ejemplos de ellos se ilustran a continuación:

El Diseño Digital puede ser definido como la ciencia de organizar conjuntos de interruptores (switches) para procesar información de manera predecible y coherente. El avance actual de la electrónica conjuga los avances tanto del diseño digital como del analógico, estas dos ramas de la electrónica ofrecen soluciones para diversos problemas, sin embargo, cada vez más las soluciones digitales invaden el campo que anteriormente era exclusivo de las soluciones analógicas. Sin embargo, en la mayoría de los casos, la mejor solución conjuga elementos analógicos y como digitales. A continuación se presenta un breve resumen del desarrollo de la electrónica digital y los principales eventos que contribuyeron al desarrollo actual. ELECTRÓNICA DIGITAL. IPN ESIMECU/ D. QUINTERO M.

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

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1.c ELECTRÓNICA ANÁLOGA Y ELECTRÓNICA DIGITAL La electrónica se divide en general según el tipo de circuito, en análoga y en digital de acuerdo a la forma como, tales circuitos, controla las señales que circulan por ellos, así: ELECTRÓNICA DIGITAL: Se rige por los denominados, circuitos digitales o lógicos, llamados así porque trabajan con señales que pueden adoptar uno de dos valores posibles, alto o bajo (ver señales digitales). Puede definirse la electrónica digital como la parte de la electrónica que estudia los dispositivos, circuitos y sistemas digitales, binarios o lógicos. A diferencia de la electrónica análoga o lineal, que trabaja con señales que pueden adoptar una amplia gama de valores, los voltajes en electrónica digital están restringidos a uno de dos valores llamados niveles lógicos alto y bajo o estados 1 y 0. Generalmente el estado lógico alto o “1”, corresponde a la presencia de voltaje y, por el contrario, el estado lógico bajo o “0” corresponde a su ausencia. Otra definición de Electrónica digital: Se encarga del estudio de las señales digitales las cuales son llamadas también como señales binarias y se refiere únicamente a una señal discreta que solo puede tomar dos valores (0,1). En la siguiente figura se muestra una señal típica binaria con respecto al tiempo. Hacen parte de la electrónica digital los circuitos y sistemas de control. Ejemplos de variables digitales: La edad en años completos de una persona, el precio de un producto, el número de pobladores de un país, etc. Un caso particular de señal digital que será la que nos ocupe a lo largo de este curso es la llamada señal binaria y se refiere simplemente a una señal discreta que sólo puede tomar dos valores (0, 1). En la siguiente figura se muestra una señal binaria típica que varía con el tiempo.

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Un caso particular de señal digital, será la que nos ocupe a lo largo de este curso, es la llamada señal binaria y se refiere simplemente a una señal discreta que sólo puede tomar dos valores, ceros y unos.

ELECTRÓNICA ANALÓGICA: Se encarga del estudio de las señales continuas como todas aquellas que pueden tomar una infinidad de valores en un intervalo finito. Se rige también por los denominados, circuitos análogos o lineales, llamados así porque la gran variedad de señales que se presentan, pero sobre todo, por la variación continua de los valores que la configuran. Ejemplos de señales analógicas: Temperatura del cuerpo, velocidad de un auto, distancia recorrida por un peatón, peso corporal, etc. A diferencia de las señales digitales o discretas, sólo puede tomar una cantidad finita de valores en un intervalo cualquiera. Así como hay señales analógicas y digitales, también los dispositivos pueden clasificarse de esta manera dependiendo de las señales que manejan o de los principios de operación en que están basados. Así podemos hablar de dispositivos analógicos o dispositivos digitales. Inclusive los métodos que nos permiten abordar problemas en general pueden ser clasificados como métodos analógicos o métodos digitales. De hecho, un mismo problema puede ser resuelto por ambos enfoques. Ejemplo, de enfoque digital o analógico: Contar el número de nueces en un costal: Solución digital: contar de una en una, todas las nueces. Solución analógica: medir el peso promedio de una nuez, pesar el costal y dividir el peso del costal entre el peso promedio de la nuez.

1. d INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS NUMÉRICOS Los SISTEMAS NUMÉRICOS representan un conjunto ordenado de símbolos, dígitos y reglas con las que se combinan para representar una cantidad numérica. Ejemplos de los sistemas numéricos más comunes: Binomial (base 2): 20,2 1,22, 23, 24, 25,26, 27, 28, 29, 210. …n…...etc. Octal (base 8): 80, 8 1,82,83,84, 85,86, 87,88, 89 ,810…..n …..etc. Decimal (base 10): 100,101,102,103,104,105,106,107,108,109,1010….n….etc. y ELECTRÓNICA DIGITAL. IPN ESIMECU/ D. QUINTERO M.

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

1. d.1 SISTEMA DECIMAL Su origen lo encontramos en la India y fue introducido en España por los árabes. Su base es 10. Emplea 10 caracteres o dígitos diferentes para indicar una determinada cantidad: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. El valor de cada símbolo depende de su posición dentro de la cantidad a la que pertenece. Existen diversos métodos para convertir un número o dato de un sistema a otro. Aquí se muestra una tabla (1.1) de equivalencias entre estos sistemas: Decimal 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Binario 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

Hex. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

TABLA 1.1.- EQUIVALENCIAS ENTRE SISTEMAS

1. d.2 CONVERSIÓN DE DECIMAL A BINARIO En esta sección de conversión de cualquier base a decimal usando la representación polinomial. Es conveniente tratar el caso particular de convertir un número binario a decimal por ser una caso muy utilizado en sistemas digitales y porque el método puede ser simplificado de la siguiente manera: Anote (de ser posible mentalmente) los “pesos o valores de las potencias de 2 a la cero (1), 2 a la 1 (2), dos a la dos cuatro, dos a la tres ocho, dos a la cuatro diez y seis”,…, etc., correspondientes a las posiciones de los bits del número a convertir. Luego, para comprobar simplemente, sume los pesos o potencias correspondientes a las posiciones de los bits con valor de 1, como se muestra a continuación. Para ello es conveniente memorizar la siguiente tabla 1.2; ELECTRÓNICA DIGITAL. IPN ESIMECU/ D. QUINTERO M.

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POSICIÓN

PESO VALOR

11 10 210 29 1024 512

9 28 256

8 27 128

7 26 64

6 25 32

5 24 16

4 3

3 2

2 1

1 0

2

2

2

2

8

4

2

1

Punto

. .

1 2-1 0.5

2 2-2 0.25

TABLA 1.2

Ejemplo: Convertir el número decimal 35 en número binario. 35 = [0011]2 Peso 25 24 2 3 Valor 32 16 8 Posición 1 0 0 35]10 = 1

0

0

0

1

22 21 20 4 2 1 0 1 1

1

Comprobación: 32x1 + 16x0 + 8x0 + 4x0 +2x1 + 1x1 = 32 + 0 + 0 + 0 + 2 + 1 = 35 35 = (0011)2

CONVERSIÓN DE DECIMAL A HEXADECIMAL

Convertir el número decimal 58 en hexadecimal:

Peso 162 Valor 256 Posición

161 16 3 3

160 1 10 A

58]10 = 3 A] 16

Comprobación: 58 = (16x3) + (1x10) = 48 + 10 = 58 En resumen:

Digito: Es la unidad mínima básica, no es una combinación de otros y representa un número entero positivo. Bit: es un dígito binario, un 0 o un 1, (binary digit). Byte: son 8 bits. Word: son 16 bits (Es la unidad numérica mínima básica). ELECTRÓNICA DIGITAL. IPN ESIMECU/ D. QUINTERO M.

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1.1 ELEMENTOS DE CONTROL ELECTRÓNICO Control El control por definición es la regulación, verificación o el gobierno, en las máquinas y en el hombre como la respiración, transpiración, y digestión, etc... En otras palabras es el conjunto de acciones complementarias para realizar una operación que reúne funciones de verificación, regulación y mando.

TEORÍA DEL CONTROL Es una serie de operaciones mediante las cuales se comprueban las características de objetos fabricados, antes de usarlos en un proceso de fabricación, o entregarlos al usuario, o de ponerlos en servicio, de acuerdo a las normas oficiales o características especificadas por el cliente. APLICACIONES Un elevado porcentaje de la teoría de control que se estudia y aplica hoy en día, se ha desarrollado en los últimos sesenta años. Ello se debe a que en ese tiempo los sistemas automáticos de control han desempeñado un papel de gran importancia en el desarrollo de la civilización y tecnología moderna. Ejemplo de este tipo de sistemas podemos encontrar en cualquier ámbito: Doméstico: Sistemas de calefacción y aire acondicionado que regulan la temperatura y humedad de los edificios modernos. Industria: Sistemas de control de calidad, mando de máquinas, herramientas, robots y cadenas de ensamblaje. Espacial: Satélites y vehículos espaciales cuentan con sofisticados sistemas de control, sin cuyo concurso sería imposible su desarrollo. Además podríamos citar los campos de la energía nuclear, química, física, etc. Pero sin lugar a dudas, el sistema de control más sofisticado y complejo que existe es el ser humano. Una actividad tan normal y cotidiana como podría ser el seguir una trayectoria determinada a lo largo de un camino pone en funcionamiento todo un sistema de control realimentado.

EQUIPO COMPLEMENTARIO A LOS DISPOSITIVOS DE CONTROL TRANSISTOR Son dispositivos semiconductores con tres terminales de conexión. Un voltaje o corriente muy pequeña en una terminal puede controlar grandes cantidades de corriente a través de los otros dos pines. Esto Significa que pueden ser utilizados ELECTRÓNICA DIGITAL. IPN ESIMECU/ D. QUINTERO M.

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como amplificadores e interruptores. Existen dos familias de transistores: Bipolares y de Efecto de Campo (FETS). El TRANSISTOR BIPOLAR fue inventado en diciembre de 1947 en el Bell Telephone Laboratories por John Bardeen y Walter Brattain bajo la dirección de William Shockley. El transistor bipolar es el más común de los transistores, y como los diodos, puede ser de germanio o silicio. TIPOS DE TRANSISTORES BIPOLARES Existen dos tipos transistores: el NPN y el PNP, y la dirección del flujo de la corriente en cada caso, lo indica la flecha que se ve en el gráfico de cada tipo de transistor. El transistor es un dispositivo de 3 capas y tres patillas con los siguientes nombres: base (B), colector (C) y emisor (E), coincidiendo siempre, el emisor, con la patilla que tiene la flecha en el gráfico de transistor.

Transistor NPN

Transistor PNP

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

LOS TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO (FETS), se han vuelto más importantes que los Transistores Bipolares. Estos son fáciles de construir ya que requieren de menos silicio. Existen dos familias principales de fets, de unión y semiconductor metal-oxidosemiconductor.

DIODO AC “DIAC” (DIODO DE CORRIENTE ALTERNA) El DIAC es básicamente una combinación paralelo inversa de dos diodos de cuatro capas, lo cual permite el disparo en ambas direcciones. La figura muestra su conformación física, su representación simbólica y su característica tensión-corriente. La característica tensión-corriente muestra claramente un voltaje de ruptura tanto para valores positivos como para negativos, es decir que el único camino de disparo del dispositivo es exceder los niveles de ruptura ± V. Los voltajes de ruptura pueden variar entre 25 y 42 volts. Los niveles de corriente son de aproximadamente 0.2 mA

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Figura 1.1.- Características del DIAC La principal aplicación del DIAC radica en su utilización como gatillo o disparador de un TRIAC.

1.2 CONTROL BÁSICO EN EQUIPO ELÉCTRICO Todas las instalaciones deberán estar protegidas por automatismos que aseguren la interrupción de corriente para una intensidad anormal, por sobrecarga o cortos circuitos. Los equipos de protección como fusibles, Termo-magnéticos o pastillas y relevadores, deben ir colocados sobre un material aislante incombustible y estarán construidos de forma que no puedan proyectar metal al fundirse o explotar. Todo fusible debe llevar marcada la intensidad y tensión nominal de trabajo para lo que ha sido construido. Los fusibles se construyen de diversas formas y tamaños diferentes, para distintas tensiones y cargas de corriente, pero todos ellos funcionan basándose en el mismo principio general, esto es abriendo el circuito al fundirse el trozo de metal (plomo) calibrado a la sobrecorriente determinada, que se calienta hasta el punto de fusión cuando circula a través de el una corriente excesiva. Dispositivos Básicos de Equipo Eléctrico Estos dispositivos principalmente son fusibles, pastillas termomagnéticas para controlar el paso de la corriente, relevador (trabaja como un electroimán) y controladores de mercurio. Estos dispositivos de control permiten el contacto o apertura de la corriente eléctrica dependiendo las altas de amperaje a las que se encuentran expuestos estos fusibles Pastillas electromagnéticas Son dispositivos de control mediante el uso del electromagnetismo para poder abrir y cerrar cuando hay irregularidades con el voltaje o amperaje.

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Fusibles

Deben cumplir las siguientes condiciones Quizá el dispositivo mas simple de protección del motor contra sobre intensidades es el fusible. Los fusibles están divididos en dos grandes grupos: fusibles de baja tensión (600 V o menos) y fusibles de alta tensión (mas de 600 V). Tipos de fusibles. El tipo de cartucho o contacto de casquillo es útil para las tensiones nominales entre 250 y 600 V en los de tipo fijo y recambiable. El tipo fijo contiene polvo aislante (talco o un adecuado aislante orgánico) redondeando el elemento fusible. En caso de cortocircuito, el polvo tiene como misión  Enfriar el metal vaporizado  Absorber el vapor metálico condensa  Extinguir el arco que pueda mantenerse en el vapor metálico conductor. La presencia de este polvo es la que confiere al fusible su alto poder de ruptura en el caso de cortocircuitos bruscos. Se han efectuado ensayos para mejorar las características del fusible en las aplicaciones a los motores de forma que, con valores nominales inferiores, permitan protecciones contra sobrecargas y de cortocircuitos. Los fusibles de cartucho comunes poseen cierta capacidad de limitación de la corriente ya que interrumpen el circuito casi instantáneamente antes de que el cortocircuito tenga la oportunidad de existir y fundir o unir los contactos de los disyuntores o relees de máxima. El fusible de potencia limitador de la corriente contiene elementos fusibles de aleación de plata rodeados por cuarzo en polvo. RELEVADORES El relé o relevador, del francés relais, relevo, es un dispositivo electromecánico, que funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Fue inventado por Joseph Henry en 1835. Dado que el relé es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada, puede considerarse, en un amplio sentido, como un amplificador eléctrico. Como tal se emplearon en telegrafía, haciendo la función de repetidores que

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generaban una nueva señal con corriente procedente de pilas locales a partir de la señal débil recibida por la línea. Se les llamaba "relevadores". De ahí "relé".

Figura 1.2.- Funcionamiento de un relé y diferentes relés de enchufar.

Relé de corriente alterna Cuando se excita la bobina de un relé con corriente alterna, el flujo magnético en el circuito magnético, también es alterno, produciendo una fuerza pulsante, con frecuencia doble, sobre los contactos. Es decir, los contactos de un relé conectado a la red, en Europa oscilarán a 50 Hz y en América a 60 Hz. Este hecho se aprovecha en algunos timbres y zumbadores, (modifican la resonancia de los contactos para que no oscilen), como un activador a distancia. Un relé de corriente se conecta en serie y un relé de potencial se conecta en paralelo. Relé de estado sólido Se llama relé de estado sólido a un circuito híbrido, normalmente compuesto por un optoacoplador que aísla la entrada, un circuito de disparo, que detecta el paso por cero de la corriente de línea y un TRIAC dispositivo similar que actúa de interruptor de potencia. Su nombre se debe a la similitud que presenta con un relé electromecánico; este dispositivo es usado generalmente para aplicaciones donde se presenta un uso continuo de los contactos del relé que en comparación con un relé convencional generaría un serio desgaste mecánico.

1.3 DETECTORES EN APLICACIONES INDUSTRIALES DE CONTROL Un detector es un transductor o un sensor, capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada (física o química), en otra con salida de energía eléctrica. El nombre del transductor ya nos indica cual es la transformación que realiza ya que es un dispositivo usado principalmente en las ciencias eléctricas para obtener la información de entornos físicos o químicos y conseguir (a partir de esta información) señales o impulsos eléctricos o viceversa. ELECTRÓNICA DIGITAL. IPN ESIMECU/ D. QUINTERO M.

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En resumen un transductor es un dispositivo que transforma un tipo de variable física en otro (por ejemplo, Fuerza, presión, temperatura, velocidad, etc.). Un sensor es un transductor que se utiliza para medir una variable física de interés. Algunos de los sensores y transductores utilizados con más frecuencia, son los calibradores de tensión (utilizados para medir la fuerza y la presión), los termopares (temperaturas), los velocímetros (velocidad). Cualquier sensor o transductor necesita estar calibrado para ser útil como dispositivos de medida. La calibración es el procedimiento mediante el cual se establece la relación entre la variable medida y la señal de salida convertida. Los transductores y los sensores pueden clasificarse en dos tipos básicos, dependiendo de la forma de la señal convertida, a saber: Los transductores analógicos proporcionan una señal analógica continua, por ejemplo voltaje o corriente eléctrica. Esta señal puede ser tomada como el valor de la variable física que se mide. Los transductores digitales producen una señal de salida digital, en la forma de un conjunto de bits de estado en paralelo o formando una serie de pulsaciones que pueden ser contadas. En una u otra forma, las señales digitales representan el valor de la variable medida. Los transductores digitales suelen ofrecer la ventaja de ser más compatibles con las computadoras digitales que los sensores analógicos en la automatización y en el control de procesos. A continuación se mencionan varias aplicaciones: Interruptores de Posición También llamados Finales de Carrera son utilizados para transformar un movimiento mecánico en una señal eléctrica. El movimiento mecánico en forma de leva o empujador actúa sobre la palanca o pistón de accionamiento del interruptor de posición haciendo abrir o cerrar un contacto eléctrico del interruptor. Esta señal eléctrica se utiliza para posicionar, contar, parar o iniciar una secuencia operativa al actuar sobre los elementos de control de la máquina. Presostato Son dispositivos automáticos que mantienen constante la presión de un fluido. Sirven para controlar o regular una presión o una depresión en un circuito neumático o hidráulico. Estos aparatos transforman un cambio de presión en una señal eléctrica “todo o nada”. Cuando se alcanza una cierta presión preseleccionada, el contacto de tipo ruptura brusca cambia de estado. Termostatos Sirven para detectar un umbral de temperatura en un depósito, una canalización, etc. Estos aparatos transforman un cambio de temperatura en una señal eléctrica. Cuando la temperatura alcanza el valor preseleccionado, el contacto eléctrico cambia de estado. ELECTRÓNICA DIGITAL. IPN ESIMECU/ D. QUINTERO M.

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Interruptores horarios y crepusculares El principio de funcionamiento se basa en un componente fotosensible que asociado a un circuito de amplificación que produce una señal al relee, efectuando la apertura o el cierre del contacto según el nivel de regulación. Control de nivel (líquidos / sólidos) Líquidos Control de nivel.- Definiremos como control de nivel, a todos aquellos elementos o componentes capaces de detectar la presencia de líquidos o sólidos, sea de la naturaleza que sean, y se encuentren dentro del campo de acción del detector y a la vez sean capaces de suministrar una información de salida, bien sea analógica o digital. Control e identificación de niveles Por elemento a destacar: - Detectores de nivel para líquidos (aguas limpias, contaminadas, conductores o no conductores, etc...) - Detectores de nivel para sólidos, (polvo, carbón, arena, etc.). - Detectores por sistema de detección: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Detectores de boya mecánica Detectores de boya Detectores por conductividad Detectores por capacidad Detectores por transductores de presión Detectores por ultrasonidos Detectores especiales para áridos, etc.

Detectores de proximidad Son los más utilizados en el entorno industrial, por contacto físico y proximidad. Los detectores de proximidad son útiles en muchas aplicaciones en donde se requieren características teles como la velocidad, estar libre de mantenimiento y ser resistentes al desgaste por rozamiento lo cual limita la velocidad de operación y el tiempo de vida útil. Otras características: 1. Pueden instalarse en cualquier posición 2. Vida independiente 3. Protegidos contra la humedad 4. Elevada resistencia a productos químicos Tipos de detectores de proximidad:  Inductivos: Su sensibilidad es elevada, no pueden detectar objetos no metálicos como plástico, cristal, etc.  Capacitivo: Consta de un electrodo situado en el extremo del detector conectado a un circuito oscilador, el cual, a su vez, forma parte de un bucle de realimentación positiva dentro de dicho circuito oscilador; la otra placa de este condensador variable la constituye, o bien el propio objeto a detectar, el cual deberá estar previamente conectado a masa, o bien a una placa de masa independiente.  Magnético:

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Incorpora un censor magnético, generalmente un relee en cuya cúpula hermética los dos electrodos de contacto hacen de material ferromagnético. SISTEMAS DE DETECCIÓN Sistema barrera: Emisor y receptor están separados, es el sistema mejor adaptado para: 1. La detección de materiales opacos y reflectantes. 2. Los entornos contaminados ( polvo, lluvia, contaminación, etc. ) 3. Las largas distancias. 4. El posicionamiento exacto y la detección de pequeños objetos. Detectores por ultrasonidos El principio del funcionamiento esta basado, en la emisión y reflexión de ondas acústicas, sobre a detectar. El portador de estas ondas es el aire. El detector mide y evalúa el tiempo que tarda los ultrasonidos desde emisión asta su recepción. APLICACIONES: 1. Instalaciones de almacenamiento 2. Sistema de transporte 3. Industria de la alimentación 4. Procesos de metales, vidrios y plásticos 5. Supervisión de materiales a granel Detectores para alarmas Detector de movimientos crepuscular, infrarrojos. Principales utilizaciones: 1. Detecta el movimiento de una persona y enciende automáticamente el alumbrado. 2. Excelente para disuadir a los intrusos. 3. Evita accidentes en fabricas mediante alumbrados. 4. Ofrece un recibimiento agradable a los visitantes. Este detector equipado con una lente óptica que le permite detectar la radiación calorífica de un cuerpo humano en movimiento de noche. Funciona principalmente por la noche, pero se puede regular par el día, de 5 a 300 lux. Detector de movimientos infrarrojos, para falsos techos. El detector de movimientos colocado en el falso techo actúa al paso de personas y acciona el relee de potencia de la luminaria del pasillo (hasta 6 detectores por relee) durante 12 minutos.

1.4 CIRCUITOS DE CONTROL Un circuito de control es un elemento que esta compuesto de alimentadores o mallas cerradas (circuitos), y que lo integran componentes eléctricos o electrónicos, como fusibles, interruptores, relevadores, compuertas lógicas, tiristores, SCR´s, y Triac´s, ELECTRÓNICA DIGITAL. IPN ESIMECU/ D. QUINTERO M.

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etc. para llevar a cabo una función de mando, gobierno, control, revisión, regulación u operación. TIRISTOR. El tiristor (del griego: puerta) es un componente electrónico constituido por elementos semiconductores que utiliza realimentación interna para producir una conmutación o disparo. Se emplea generalmente para el control de potencia eléctrica o en reguladores de voltaje. La corriente controlada puede ser solamente encendida o apagada, por esta razón los tiristores no amplifican las señales fluctuantes como los transistores. Existen dos familias de tiristores, y son los Rectificadores Controladores de Silicio (SCR´s) y TRIAC´s. Los SCR´s conmutan la corriente directa y los TRIAC´s conmutan la corriente alterna. Los dispositivos DIAC y TRIAC fueron desarrollados por ingenieros de General Electric en los años 1960 (ver Figura 1.3).

Fig.1. 3.- Símbolo electrónico del Tiristor

SCR Es un RECTIFICADOR CONTROLADOR DE SILICIO o un semiconductor de Silicio con una compuerta, que opera al cambiar o variar la corriente eléctrica o el voltaje, ver Figura 1.4. Es similar a un transistor bipolar con una cuarta capa, es llamado algunas veces diodo pnpn de 4 capas ya que pasa una corriente en una sola dirección. Las aplicaciones que tiene este dispositivo son en general en todas los sistemas de control automático, donde por medio de un sensor (por ejemplo de movimiento para abrir una puerta del supermercado) que convierte la señal física, química, en pulsos o corriente eléctrica, recibida o captada por el SCR y de acuerdo a su calibración este manda abril o cerrar un micro switch que controla determinado motor, alarma auditiva, alarma visual o un interruptor principal de un determinado proceso, etc.

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

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es un dispositivo bidireccional, pudiendo ser activado con niveles de polaridad positiva o negativa en compuerta. APLICACIONES La gran ventaja que presenta el TRIAC es que puede ser utilizado en tensiones en las cuales se requiere ejercer control sobre cargas CA (Corriente Alterna), tales como control de motores, sistemas de calefacción, o control para recargadores de baterías para celulares, PC, etc., que al llegar a un determinado voltaje estos ordenan abrir su circuito (desconexión), sin llegar a quemarse por olvido. Por lo tanto el TRIAC, es otro tiristor de amplia utilización como es el SCR. Los símbolos esquemáticos de estos dispositivos se muestran a continuación, (Figura 1.4).

Figura 1.4.- SCR

y

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TRIAC

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UNIDAD II COMPUERTAS LÓGICAS

2.1 INTRODUCCIÓN COMPUERTAS LÓGICAS. Una compuerta o puerta lógica, es un dispositivo electrónico con una expresión física de un operador booleano, en la lógica de conmutación. Cada puerta lógica consiste en una red de dispositivos interruptores que cumple las condiciones booleanas para un operador particular. Son esencialmente circuitos de conmutación integrados en un chip (circuito integrado). Entonces, una compuerta lógica es la representación física de un operador booleano, las compuertas lógicas son usadas en la electrónica digital para que al dar cierta información de entrada a un sistema, esta produzca una salida o resultado, se utiliza la algebra booleana para agrupar variables, constantes, operadores y tablas de verdad, que nos determinarán el resultado del sistema para todas las posibles combinaciones de este, en la electrónica digital se utilizan generalmente diodos y transistores para conmutar la información usando el sistema binario, teniendo al 1 como verdadero y 0 como falso. Las compuertas básicas son las and, or y not. Estas varían dependiendo del tipo de proceso a realizar, cada una con un comportamiento perfectamente definido, y es posible combinarlas entre sí para obtener funciones nuevas.

En resumen: Compuertas Lógicas Las compuertas lógicas son dispositivos que operan con aquellos estados lógicos y funcionan igual que una calculadora, de un lado ingresas los datos, ésta realiza una operación, y finalmente, te muestra el resultado.

Circuitos lógicos Los circuitos de conmutación y temporización, o circuitos lógicos, forman la base de cualquier dispositivo en el que se tengan que seleccionar o combinar señales de manera controlada. Entre los campos de aplicación de estos tipos de circuitos pueden mencionarse la conmutación telefónica, las transmisiones por satélite y el funcionamiento de las computadoras digitales.

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La lógica digital es un proceso racional para adoptar sencillas decisiones de 'verdadero' o 'falso' basadas en las reglas del álgebra de Boole. El estado verdadero se representado por un 1, y falso por un 0, y en los circuitos lógicos estos numerales aparecen como señales de dos tensiones diferentes. Los circuitos lógicos se utilizan para adoptar decisiones específicas de 'verdaderofalso' sobre la base de la presencia de múltiples señales 'verdadero-falso' en las entradas. Las señales se pueden generar por conmutadores mecánicos o por transductores de estado sólido. La señal de entrada, una vez aceptada y acondicionada (para eliminar las señales eléctricas indeseadas, o ruidos), es procesada por los circuitos lógicos digitales. Las diversas familias de dispositivos lógicos digitales, por lo general circuitos integrados, ejecutan una variedad de funciones lógicas a través de las llamadas puertas lógicas, como las puertas OR, AND y NOT y combinaciones de las mismas (como 'NOR', que incluye a OR y a NOT). Otra familia lógica muy utilizada es la lógica transistor-transistor. También se emplea la lógica de semiconductor complementario de óxido metálico, que ejecuta funciones similares a niveles de potencia muy bajos pero a velocidades de funcionamiento ligeramente inferiores. .

Familias Lógicas Los circuitos digitales emplean componentes encapsulados, los cuales pueden albergar puertas lógicas o circuitos lógicos más complejos. Estos componentes están estandarizados, para que haya una compatibilidad entre fabricantes, de forma que las características más importantes sean comunes. De forma global los componentes lógicos se engloban dentro de una de las dos familias siguientes: TTL: diseñada para una alta velocidad de 5 Vcc. CMOS: diseñada para un bajo consumo de hasta 17 Vcc. Por lo general estas tensiones se aplican a las terminales 1 y 14 con la polaridad correspondiente a los CI que componen los circuitos de las compuertas lógicas.

2.2 COMPUERTA LÓGICA “AND” Con dos o más entradas, esta compuerta realiza la función booleana de la multiplicación. Se representa como un circuito eléctrico en serie. Su salida será un “1” cuando todas sus entradas también estén en nivel alto (1). En cualquier otro caso, la salida será un “0”. El operador AND se lo asocia a la multiplicación. En efecto, el resultado de multiplicar entre si diferentes valores binarios solo dará como resultado “1” cuando todos ellos también sean 1, como se puede ver en su tabla de verdad. ELECTRÓNICA DIGITAL. IPN ESIMECU/ D. QUINTERO M.

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Matemáticamente se lo simboliza con el signo “x”.

Entrada A 0 0 1 1

Compuertas AND de 2 y 4 entradas

Entrada B 0 1 0 1

Salida S 0 0 0 1

TABLA DE VERDAD de la compuerta AND de dos entradas.

2.3 COMPUERTA LÓGICA “OR” La función lógica booleana que realiza la compuerta OR, dentro de la Electrónica Digital, es la asociada a la suma, y matemáticamente la expresamos como “+”. Se representa eléctricamente como un circuito en paralelo. La salida X de la compuerta OR será "1" cuando la entrada "A" o la entrada "B" estén en "1". Expresándolo en otras palabras: En una compuerta OR, la salida será "1", cuando en cualquiera de sus entradas haya un "1". La compuerta OR se representa con la siguiente función booleana: X = A+B ó X = B+A Compuerta OR de dos entradas.

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

La compuerta OR también se puede implementar con interruptores como se muestra en la figura de arriba a la derecha, en donde se puede ver que: cerrando el interruptor A "O" el interruptor B se encenderá la luz "1" = cerrado , "0" = abierto, "1" = luz encendida

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Compuerta OR de tres entradas

En las siguientes figuras se muestran la representación de la compuerta "OR" de tres entradas con su tabla de verdad y la implementación con interruptores.

La lámpara incandescente se iluminará cuando cualquiera de los interruptores (A o B o C) se cierre. Se puede ver que cuando cualquiera de ellos esté cerrado la lámpara estará alimentada y se encenderá. La función booleana es X = A + B + C.

2.4 COMPUERTA “NOT” (Negada) Esta compuerta presenta en su salida un valor que es el opuesto del que está presente en su única entrada. En efecto, su función es la negación, y comparte con la compuerta IF la característica de tener solo una entrada. Se utiliza cuando es necesario tener disponible un valor lógico opuesto a uno dado. La figura muestra el símbolo utilizado en los esquemas de circuitos para representar esta compuerta, y su tabla de verdad.

El círculo en la salida significa negación.

Un pequeño circulo agregado en su salida, que representa la negación. ELECTRÓNICA DIGITAL. IPN ESIMECU/ D. QUINTERO M.

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TABLA DE VERDAD “NOT” El estado de la salida es el opuesto al de la entrada

Entrada A 0 1

Salida S 1 0

2. 5 COMBINACIONES Y APLICACIONES “XOR”,“ ” LA “O EXCLUSIVA” (Disyunción exclusiva) Es el operador que conecta dos proposiciones en paralelo (dos vías a tierra) con un Led, donde el sentido estricto de la “o” literal, o es blanco o es negro; es o no es. El operador se denomina XOR, cuyo funcionamiento es semejante al operador or con la diferencia en que su resultado es verdadero solamente si una de las proposiciones es cierta, cuando ambas son verdaderas el resultado es falso, igual si las dos son falsas. Se nota como . Algunos ejemplos son: r : Antonio canta o silva La proposición está compuesta por las proposiciones

y

p: Antonio Canta q: Antonio silva,

Su notación es:

r: p  q.

Su tabla de verdad será: .p

.q

.r = p  q

1

1

0

1

0

1

0

1

1

0

0

0

El diagrama es:

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LA XOR CON DIAGRAMA DE VENN La XOR o disyunción exclusiva se asimila a la operación Unión Exclusiva entre conjuntos, por ello en diagrama de Venn se representa, así:

Figura No 2.1. Diagrama de Venn de una Disyunción exclusiva (XOR) [.p  q ] Y en circuito de conmutación, será:

Figura No 2.2. Representación Eléctrica de una disyunción Exclusiva XOR ( p  q) El led será encendido si los interruptores están en posiciones contrarias (p=1 y q=0), de cualquier otra forma se conservara apagado (p=1 y q=1, apagado, p=0 y q=0, también apagado, porque se van a tierra) (“o” lógico = apagado). Su circuito de asemeja a un diagrama de conexiones para un apagador dos vías (de escalera) a tierra.

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

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Una suma lógica entre a por b invertida y a invertida por b. (Al ser O Exclusiva su salida será 1 si una y sólo una de sus entradas es 1). A diferencia de la compuerta OR, la compuerta XOR tiene una salida igual a "0" cuando sus entradas son iguales a 1.

De la misma manera que el caso anterior se puede ver que se cumple que X = 1 sólo cuando la suma de las entradas en "1" sea impar Combinaciones con negadora. Con ayuda de estos operadores básicos se pueden formar los operadores compuestos NAND (combinación de los operadores NOT y AND), NOR (combina operadores NOT y OR) y XNOR (resultado de XOR y NOT). Operador NAND – Conjunción negada Se utiliza para conectar dos proposiciones que se deben cumplir (ser verdaderas) para que se pueda obtener un resultado falso, en cualquier otro caso la proposición compuesta es verdadera. Su símbolo es: {()’, (.)’, ()’}. .q

.r

p = (q  r)’

1

1

0

1

0

1

0

1

1

0

0

1

De tal manera que la representación de una proposición queda como sigue:

p = (q  r)’ Cuya tabla de verdad es complemente contraria a la conjunción: ELECTRÓNICA DIGITAL. IPN ESIMECU/ D. QUINTERO M.

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Donde:

1 = verdadero

0 = falso

El operador y negado en la teoría de conjuntos equivale a la operación de intersección complementada, por ello se le puede representar en diagrama de Venn como lo muestra la figura No 2.3:

Figura No 2.3. (q  r)’

El conector NAND también tiene representación eléctrica con interruptores, como aparece en la figura 2.4. Si los dos interruptores están cerrados (indicando verdadero o “1” lógico) el led se apaga (“0” lógico) de lo contrario está encendida (“1” lógico). Su comportamiento es completamente contrario a la conjunción.

Figura No 2.4. Circuito con interruptores que representa la función lógica Conjunción (NAND) (q  r)’

Operador NOR – Disyunción negada Es el Inverso de la disyunción, por ello, se obtiene con este operador un resultado verdadero en el único caso que se obtenía falso en la disyunción, es decir, cuando las proposiciones son falsas. En cualquier otro caso da un resultado falso. Se e indica por medio de los siguientes símbolos: {()’, (+)’, ()’}. Se conoce como las suma lógica inversa en el Álgebra Booleana. ELECTRÓNICA DIGITAL. IPN ESIMECU/ D. QUINTERO M.

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La proposición compuesta es r : (p  q)’ y la tabla de verdad representativa es: .p

.q

.r = (p  q)’

1

1

0

1

0

0

0

1

0

0

0

1

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

Figura No 2.5. Diagrama de Venn de una Disyunción negada El circuito de conmutación queda como en la figura No 2.6. La única forma en que se ACTIVE el led (“1” lógico), es que ninguno de los interruptores se cierre (“1” lógico), el led se conservará APAGADO (“0” lógico).

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Figura No 2.6. Representación eléctrica de una disyunción negada (NOR) (p v q)’ COMPUERTA XOR: La compuerta XOR (OR exclusivo) es un dispositivo de dos entradas y una salida que cumple con la condición que la salida toma el valor lógico 1 si, y solo si las entradas son diferentes (chifla o come).

Compuerta OR-Exclusiva (XOR) La puerta lógica OR-exclusiva, más conocida por su nombre en inglés XOR, realiza la función booleana A'B+AB'. Su símbolo es el mas (+) inscrito en un círculo. En la figura de la derecha pueden observarse sus símbolos en electrónica. La ecuación característica que describe el comportamiento de la puerta XOR es:

Los diagramas y símbolos básicos son los siguientes:

Símbolo de la función lógica O-exclusiva. a) Contactos b) Normalizado y c) No normalizado

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Diagrama de la XOR exclusiva, utilizando compuertas lógicas:

Su tabla de verdad es la siguiente:

Tabla de verdad puerta XOR Entrada A

Entrada B Salida

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

0

Se puede definir esta puerta como aquella que da por resultado “UNO”, cuando los valores en las entradas son distintos (come o chifla, uno u otro, no los dos al mismo tiempo). ej: 1 y 0, 0 y 1 (en una compuerta de dos entradas). Si la puerta tuviese tres o más entradas , la XOR tomaría la función de suma de paridad, cuenta el número de unos a la entrada y si son un número impar, pone un 1 a la salida, para que el número de unos pase a ser par.

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CIRCUITO XOR EQUIVALENTE CON OTRAS COMPUERTAS También se puede implementar la compuerta XOR con una combinación de otras compuertas más comunes. En el siguiente diagrama se muestra una compuerta XOR de dos entradas implementada con compuertas básicas: la compuerta AND, la compuerta OR y la compuerta NOT.

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

Y: A  B  C, es:

2.6 SIMULACIÓN CON COMPUERTAS LÓGICAS La simulación es reproducir un ambiente de variables, parámetros, conexiones, arreglos y características de un modelo matemático a un sistema real. ELECTRÓNICA DIGITAL. IPN ESIMECU/ D. QUINTERO M.

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Es imitar o visualizar el comportamiento de una compuerta lógica (en tiempo real) al variar cada uno de sus estados lógicos para su mejor análisis, comprensión y alcance. También la simulación constituye una técnica eficaz que nos permite ofrecer varios escenarios posibles al modelo propuesto para poder equivocarnos y hacer las correspondientes correcciones al modelo planteado (acciones correctivas). Procedimiento.- Para representar físicamente el comportamiento de una compuerta lógica se toma como base la similitud que se tiene con un circuito eléctrico, el cual permite reproducir visualmente las condiciones de funcionamiento de cada una de estas compuertas lógicas. Cada compuerta tiene asociado uno o varios interruptores en cada circuito eléctrico y al operarse cada uno de estos, el resultado se visualiza con el encendido o apagado de un foco incandescente, también se indica su dibujo o símbolo booleano correspondiente, como se muestra a continuación. Compuerta AND Una compuerta AND puede tener dos o más entradas y realiza la operación que se conoce como multiplicación lógica. (Circuito en serie)

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Compuerta OR Una compuerta OR puede tener dos o más entradas y realiza la operación que se conoce como suma lógica. (Se comporta como un circuito paralelo)

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Compuerta NOT La compuerta NOT dentro de la electrónica digital, no se podrían lograr muchas cosas si no existiera la compuerta NOT (compuerta NO), también llamada compuerta inversora.

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Operador NAND conjunción negada Es el complemento de la función AND, como se indica por el símbolo gráfico, que consiste en una compuerta AND seguida por un pequeño círculo (quiere decir que invierte la señal).

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Operador NOR disyunción negada La compuerta NOR es el complemento de la compuerta OR y utiliza el símbolo de la compuerta OR seguido de un círculo pequeño (quiere decir que invierte la señal). Las compuertas NOR pueden tener más de dos entradas, y la salida es siempre el complemento de la función OR.

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UNIDAD III CIRCUITOS INTEGRADOS (CI)

3 INTRODUCCIÓN Es un conjunto de elementos que interactúan para un fin prefijado y esta constituido por la unión de varios elementos como resistencias, diodos, transistores etc. Un C.I. es de tamaño muy pequeño. Un circuito integrado (CI) o chip, es una pastilla muy delgada en la que se encuentra una enorme cantidad (del orden de miles o millones) de dispositivos microelectrónicos interconectados, principalmente diodos y transistores, además de componentes pasivos como resistencias o condensadores. Su área es de tamaño reducido, del orden de un cm² o inferior. Algunos de los circuitos integrados más avanzados son los microprocesadores, que son usados en múltiples artefactos, desde computadoras hasta electrodomésticos, pasando por los teléfonos móviles. Otra familia importante de circuitos integrados la constituyen las memorias digitales. Escalas de Integración En la actualidad se ha logrado introducir cantidades formidables de transistores en un solo circuito integrado. De hecho, los Circuitos Integrados (CI) se clasifican de acuerdo a la cantidad de transistores que contienen: ü S.S.I. (Pequeña escala de integración).- Menos de 100 transistores por circuito Integrado. ü M.S.I. (Media escala de integración).- de 100 hasta 1000 transistores por C I. ü L.S.I. (Alta Escala de Integración).- de 1000 a 10,000 transistores por CI. ü V.L.S.I. (Muy Alta Escala de Integración).- Más de 10,000 transistores por circuito.

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3.1 SELECCIÓN DE CIRCUITOS INTEGRADOS EN APLICACIONES DE POTENCIA Y CONTROL Como ya se menciono, un circuito integrado (CI) es un chip (placa o lámina), o una pastilla muy delgada en la que se encuentra una enorme cantidad (del orden de miles o millones) de dispositivos microelectrónicos interconectados, principalmente diodos y transistores, además de componentes pasivos como resistencias o condensadores. Su área es de tamaño reducido, del orden de un cm² o inferior, su selección óptima (tamaño y forma) será su aplicación final que tendrá como objetivo deseado el que se tomo en la especificación del proyecto. En resumen: Un (CI), es una pastilla pequeña de material semiconductor, de algunos milímetros cuadrados de área, sobre la que se fabrican circuitos electrónicos protegidos dentro de un encapsulado de plástico o cerámica. El encapsulado posee conductores metálicos apropiados para hacer conexión entre la pastilla y un circuito impreso. Algunos de los circuitos integrados más avanzados son los microprocesadores, que son usados en múltiples artefactos, desde computadoras hasta electrodomésticos, pasando por los teléfonos móviles. Otra familia importante de circuitos integrados la constituyen las memorias digitales. Existen tres tipos de circuitos integrados: Circuitos monolíticos: Están fabricados en un solo monocristal, habitualmente de silicio, pero también existen en germanio, arseniuro de galio, silicio-germanio, etc. Circuitos híbridos de capa fina: Son muy similares a los circuitos monolíticos, pero, además, contienen componentes difíciles de fabricar con tecnología monolítica. Muchos conversores A/D y conversores D/A se fabricaron en tecnología híbrida hasta que los progresos en la tecnología permitieron fabricar resistencias precisas. Circuitos híbridos de capa gruesa: Se apartan bastante de los circuitos monolíticos. De hecho suelen contener circuitos monolíticos sin cápsula, transistores, diodos, etc., sobre un sustrato dieléctrico, interconectados con pistas conductoras. Las resistencias se depositan por serigrafía y se ajustan haciéndoles cortes con láser. Todo ello se encapsula, tanto en cápsulas plásticas como metálicas, dependiendo de la disipación de potencia que necesiten. En muchos casos, la cápsula no está "moldeada", sino que simplemente consiste en una resina epoxica que protege el circuito.

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En el mercado se encuentran circuitos híbridos para diferentes aplicaciones como fuentes de alimentación, circuitos de encendido para automóvil, etc...

CONTROL Y POTENCIA: Las técnicas de control o mando empleadas son el control síncrono, y el control proporcional al tiempo, para esto utilizamos dispositivos de control electrónico como los tiristores y Triac´s. Las características de los tiristores y de los Triac’s es su tiempo de respuesta, el cual es muy pequeño ante la duración de una alternancia. El cebado del componente se realiza en el instante preciso del periodo de la tensión a las cargas alternas.

3.2 OPERACIÓN CON EQUIPOS DE CONTROL POR MEDIO DE TIRISTORES Y TRIAC´S TIRISTOR. El Tiristor (del griego: puerta) semiconductor que utiliza realimentación interna para producir una conmutación. Se emplea generalmente para el control de circuitos. Es un componente electrónico constituido por tres elementos de conexión donde una pequeña corriente en uno de estos pines permite que fluya una corriente más grande a través de este elemento. La corriente controlada puede ser solamente como encendido o apagado, no amplifican las señales, son interruptores de estado sólido, Fig.3.1.

Figura 3.1.- TIRISTOR COMO ELEMENTO DE CONTROL para ABRIR O CERRAR CIRCUITOS

Existen dos familias de Tiristores; El Rectificador Controlado de silicio (SCR) y el TRIAC (un DIAC con compuerta). Estos elementos fueron desarrollados por ingenieros de General Electric en los años 1960. ELECTRÓNICA DIGITAL. IPN ESIMECU/ D. QUINTERO M.

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En resumen el Tiristor utiliza una apertura o cierre de una compuerta con una pequeña corriente para el control y operación de circuitos, por ejemplo enviada por un sensor. Los principales tipos de Tiristores son los siguientes:  Rectificador controlado de silicio (SCR)  Diac  Triac  Foto-SCR  Interruptor controlado por puerta  Interruptor controlado de silicio  GTO

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

CONTROL DE APAGADO O ENCENDIDO En la figura 3.3 se muestra como se usa un SCR para encender una lámpara incandescente. Con una pequeña corriente, por ejemplo de un sensor o un control remoto, pueden controlar cualquier otro dispositivo, sustituyendo el dedo de la figura por un actuador, como un fotoacoplador.

FIGURA 3.3 Utilización de los SCR ´s.

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TRIAC Un TRIAC o Triodo para Corriente Alterna es un dispositivo semiconductor, de la familia de los Tiristores. La diferencia es que el Tiristor convencional es unidireccional y el TRIAC es bidireccional. De forma coloquial podría decirse que el TRIAC es un interruptor capaz de conmutar la corriente alterna. Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían dos SCR en paralelo (ver fig. 3.4). Posee tres electrodos: A1, A2 (en este caso pierden la denominación de ánodo y cátodo) y puerta. El disparo del TRIAC se realiza aplicando una corriente (del DIAC) al electrodo de la compuerta.

Figura. 3.4.- Símbolos electrónicos de un SCR y un TRIAC.

APLICACIONES MÁS COMUNES Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas. Una de ellas es su utilización como interruptor estático ofreciendo muchas ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales y los relés. Funciona como switch electrónico. Se utilizan TRIAC´s de baja potencia en muchas aplicaciones como atenuadores de luz, controles de velocidad para motores eléctricos, y en los sistemas de control computarizado de muchos elementos caseros. No obstante, cuando se utiliza con cargas inductivas como motores eléctricos, se deben tomar las precauciones necesarias para asegurarse que el TRIAC se apaga correctamente al final de cada semiciclo de la onda de Corriente alterna.

CARACTERÍSTICAS Es un dispositiva bidireccional, puede encenderse por medio de un pulso en la compuerta y conduce en una dirección dependiendo de la polaridad del voltaje en las dos terminales del ánodo. El Triac es un dispositivo semiconductor que pertenece a la familia de los dispositivos de control por tiristores. El Triac es en esencia la conexión de dos tiristores en paralelo pero conectados en sentido opuesto y compartiendo la misma compuerta (ver Fig 3.2). El Triac sólo se utiliza en corriente alterna y al igual que el tiristor, se dispara por una compuerta. Como el Triac funciona en corriente alterna, habrá una parte de la onda que será positiva y otra negativa. ELECTRÓNICA DIGITAL. IPN ESIMECU/ D. QUINTERO M.

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La parte positiva de la onda (semiciclo positivo) pasará por el Triac siempre y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circulará de arriba hacia abajo (pasará por el tiristor que apunta hacia abajo), de igual manera: La parte negativa de la onda (semiciclo negativo) pasará por el Triac siempre y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circulará de abajo hacia arriba (pasará por el tiristor que apunta hacia arriba),para ambos semiciclos la señal de disparo se obtiene de la misma patilla (la puerta o compuerta). Lo interesante es, que se puede controlar el momento de disparo de esta patilla y así, controlar el tiempo que cada tiristor estará en conducción. [Recordar que un Tirisitor solo conduce cuando ha sido disparada (activada) la compuerta y entre sus terminales hay un voltaje positivo de un valor mínimo para cada tiristor]. Entonces, si se controla el tiempo que cada tiristor está en conducción, se puede controlar la corriente que se entrega a una carga y por consiguiente la potencia que consume. Por lo tanto: Un TRIAC o Tríodo para Corriente Alterna es un dispositivo semiconductor, de la familia de los tiristores. La diferencia con un tiristor convencional es que éste es unidireccional y el TRIAC es bidireccional. Posee tres electrodos: A1, A2 (en este caso pierden la denominación de ánodo y cátodo) y puerta o compuerta. El disparo del TRIAC se realiza aplicando una corriente al electrodo puerta. APLICACIONES MÁS COMUNES:

Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas. Una de ellas es su utilización como interruptor estático ofreciendo muchas ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales y los relés. Funciona como switch electrónico. Ejemplo: Una aplicación muy común es el atenuador luminoso de lámparas incandescentes (circuito de control de fase).

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

El Triac controla el paso de la corriente alterna a la lámpara (carga), pasando continuamente entre los estados de conducción (cuando la corriente circula por el triac) y el de corte (cuando la corriente no circula) ELECTRÓNICA DIGITAL. IPN ESIMECU/ D. QUINTERO M.

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Si se varía el potenciómetro, se varía el tiempo de carga del condensador, causando que se incremente o reduzca la diferencia de fase de la tensión de alimentación y la que se aplica a la compuerta.

Nota: la diferencia de fase o la fase entre dos señales u ondas se define como el ángulo (diferencia de tiempo) que existe entre los dos orígenes de las mismas.

TRANSISTOR. El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término "Transistor" es la contracción en inglés de Transfer Resistor ("resistencia de transferencia"). Actualmente se utiliza prácticamente en todos los enseres domésticos de uso diario, como: radios, televisores, grabadoras, reproductores de audio y vídeo, hornos de microondas, lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo, computadoras, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3, celulares, etc.. HISTORIA El transistor bipolar fue inventado en Diciembre de 1947 en el Bell Telephone Laboratories por John Bardeen y Walter Brattain bajo la dirección de William Shockley. La versión de ensambladura, inventada por Shockley en 1948, fue durante tres décadas el dispositivo favorito en diseño de circuitos discretos e integrados (fig. 3.5).

Fig. 3.5 Replica del primer transistor. ELECTRÓNICA DIGITAL. IPN ESIMECU/ D. QUINTERO M.

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

Fig. 3.6

El Transistor de Unión Bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT o TBJ) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. Los transistores bipolares se usan en la electrónica analógica.

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

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

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



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



2 Tipos de variadores de velocidad o 2.1 Variadores mecánicos o 2.2 Variadores hidráulicos o 2.3 Variadores eléctrico-electrónicos



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

Aplicaciones de los variadores en bombas y ventiladores, velocidad como una forma de controlar un proceso. Entre las diversas ventajas en el control del proceso proporcionadas por el empleo de variadores de velocidad destacan: • Operaciones más suaves. • Control de la aceleración. • Distintas velocidades de operación para cada fase del proceso. • Compensación de variables en procesos variables. • Permitir operaciones lentas para fines de ajuste o prueba. • Ajuste de la tasa de producción. • Permitir el posicionamiento de alta precisión. • Control del Par motor (torque).

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¿CÓMO FUNCIONAN LOS VARIADORES CON DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS? Los variadores electrónicos funcionan como interruptores, es decir permiten el paso de corriente o la cortan muchas veces por segundo (se denomina frecuencia). Al comienzo de la aceleración predominan las veces que el paso de corriente está cortado sobre las que se permite que pase, al ir acelerando aumenta el número de veces que se permite el paso de corriente sobre el de las veces que se corta, y al final del recorrido del gatillo o palanca del acelerador, el variador permitirá el paso de toda la corriente. Como dijimos esta función de corte-encendido de la corriente se hace muchas veces por segundo [se expresa en Herz´s (Hz)], por lo que no se notará en la marcha del coche. ESTRUCTURA FÍSICA Constan de una caja en donde se aloja toda la electrónica, de ella salen una serie de cables. Dos de ellos van a la batería de la que se alimentan y otros dos van al motor, aunque en algunos casos salen del variador 3 cables en lugar de 4, debido a que uno, el positivo, es común para la batería y el motor. También salen del variador una serie de 3 cables de pequeño diámetro (negativo, positivo y señal) que han de ser conectados al canal 2 del receptor de radio. Otro cable pequeño y aislado se utiliza para alimentar un servo rápido FET, en el caso de que utilicemos uno de este tipo en el coche. Otros dos cables pequeños y de corta longitud son para cortocircuitar el regulador interno en caso de que usemos sólo 4 ó 5 baterías. Variador de velocidad electrónico

FRECUENCIA

Como dijimos los variadores electrónicos se basan en la función interruptor. El número de veces que éste se enciende y apaga por segundo se denomina frecuencia y se expresa en Hercios (Hz). Los primeros variadores daban una frecuencia de 50-60 Hz pero los actuales llegan a dar hasta 7500 Hz y se denominan de alta frecuencia. ELECTRÓNICA DIGITAL. IPN ESIMECU/ D. QUINTERO M.

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Cuanto mayor sea la frecuencia mayor será la progresividad y por tanto la suavidad de funcionamiento. MOTIVOS PARA EMPLEAR VARIADORES DE VELOCIDAD.

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

FOMENTAR EL AHORRO DE ENERGÍA MEDIANTE EL USO DE VARIADORES DE VELOCIDAD Un equipo accionado mediante un variador de velocidad emplea generalmente menor energía que si dicho equipo fuera activado a una velocidad fija constante. Los ventiladores y bombas representan las aplicaciones más llamativas. Por ejemplo, cuando una bomba es impulsada por un motor que opera a velocidad fija, el flujo producido puede ser mayor al necesario. Para ello, el flujo podría regularse mediante una válvula de control dejando estable la velocidad de la bomba, pero resulta mucho más eficiente regular dicho flujo controlando la velocidad del motor, en lugar de restringirlo por medio de la válvula, ya que el motor no tendrá que consumir una energía no aprovechada.

UNIDAD 4 CONTROL ELECTRÓNICO DE MOTORES A PASOS

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4.1 INTRODUCCIÓN MAGNETISMO El magnetismo se define como una propiedad peculiar poseída por ciertos materiales mediante el cual se pueden repeler o atraer mutuamente con naturalidad de acuerdo con determinadas leyes. Además podemos decir, que el magnetismo es una forma elemental de fuerza generada por el movimiento orbital de los electrones alrededor del núcleo, que luego produce el efecto del magnetismo. Cada electrón crea un campo magnético débil, los que al juntarse con otros crean un campo magnético intenso (es el caso de los imanes). El magnetismo es en realidad una fuerza que no se puede ver aunque se pueden observar sus efectos en otros materiales.

ELECTROMAGNETISMO Es el Campo Magnético generado o producido por una corriente eléctrica, donde el dedo pulgar de la mano indica la dirección de la corriente y el sentido del flujo magnético los dedos restantes. (Regla de la mano izquierda)

Motor Transforma la energía eléctrica en energía mecánica (par o torque) por la fuerza de atracción y repulsión entre las espiras (embobinados de cables conductores) del rotor y estator, que contienen las líneas de fuerza electromagnética.

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Principio de funcionamiento de un motor Tanto motores de corriente alterna como motores de corriente directa se basan en el mismo principio de funcionamiento, el cuál establece que si un conductor por el cuál circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de la acción de un campo magnético, éste tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnético. El conductor tiende a funcionar como un electroimán debido a la corriente eléctrica que circula por el mismo adquiriendo de esta manera propiedades magnéticas, que provocan, debido a la interacción con los polos ubicados en el estator, el movimiento circular que se observa en el rotor del motor. Partiendo del hecho que cuando pasa corriente eléctrica por un conductor se produce un campo magnético, además si lo ponemos dentro de la acción de un campo magnético potente, el producto de la interacción de ambos campos magnéticos hace que el conductor tienda a desplazarse produciendo así la energía mecánica. Dicha energía es comunicada al exterior mediante un dispositivo llamado eje.

Ley universal del Electromagnetismo Polos iguales se repelen y polos contrarios se atraen.

Ley de Coulomb Mediante una balanza de torsión, Coulomb encontró que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales (cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables comparadas con la distancia r que las separa) es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

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El valor de la constante dieléctrica, de proporcionalidad depende de las unidades en las que se exprese F, q, q’ y r. En el Sistema Internacional de Unidades de Medida vale 9·10-9 Nm2/C2, (Newton, metros cuadrados, Couloms al cuadrado). Resumen: La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas (medidas en Coulumbs) es directamente proporcional a la carga eléctrica de cada una de ellas, e inversamente proporcional al cuadrado de su distancia que las separa por una constante dieléctrica. (Vació, aire, aceite, gas, etc.). . El electroscopio

El electroscopio consta de dos láminas delgadas de oro o aluminio A que están fijas en el extremo de una varilla metálica B que pasa a través de un soporte C de ebonita, ámbar o azufre. Cuando se toca la bola del electroscopio con un cuerpo cargado, las hojas adquieren carga del mismo signo y se repelen siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que ha recibido. La fuerza de repulsión electrostática se equilibra con el peso de las hojas.

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

Sobre una bolita actúan tres fuerzas   

El peso mg La tensión de la cuerda T La fuerza de repulsión eléctrica entre las bolitas F en equilibrio

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Regla de la Mano Derecha El dedo índice indica el campo magnético, el dedo medio la corriente y el dedo pulgar la dirección. Esta regla señala que se usa el pulgar para representar el movimiento del conductor sobre el campo, el cual es un movimiento perpendicular hacia arriba, el índice representa la dirección del campo magnético y el dedo medio representa la dirección de la corriente, tal como se muestra en la figura 4.1.

Figura 4.1. Gráfica de un conductor en movimiento por la acción del campo Magnético Regla de la Mano Izquierda El dedo pulgar indica la dirección de la corriente y todos los demás dedos encorvados indican el campo magnético. Motor síncrono Estos motores funcionan a una velocidad fija proporcional a la frecuencia de la corriente alterna aplicada. Algunos tipos de motor síncrono son los llamados “motores de histéresis”. APLICACIONES DE LOS MOTORES Los motores se pueden utilizar para muchas cosas: Las aplicaciones para los motores normalmente son para los electrodomésticos que requieren de grandes motores. Los motores que se emplean para las lavadoras son los de corriente alterna. Los cohetes teledirigidos, las batidoras, los casetes, el motor de arranque del coche, los ELECTRÓNICA DIGITAL. IPN ESIMECU/ D. QUINTERO M.

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ascensores, algunos tipos de trenes de elevación magnética, las lavadoras, el ventilador del coche, son algunos ejemplos de motores que nos podemos encontrar.

4.2 CONTROL DE LOS MOTORES PASO A PASO Motor Paso a Paso Trabaja bajo el principio de atracción y repulsión (ley universal del magnetismo). El rotor del motor tiene polaridad permanente y fija; y la polaridad del estator se puede seleccionar o variar por medio de pulsaciones u operaciones lógicas (0 y 1). Esta polaridad del estator es la que nos va a dar el sentido de giro. Por lo tanto el motor de paso a paso es un dispositivo electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos, lo que significa es que es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control. El motor paso a paso se comporta de la misma manera que un convertidor digital-analógico y puede ser gobernado por impulsos procedentes de sistemas lógicos. Este motor presenta las ventajas de tener alta precisión y repetibilidad en cuanto al posicionamiento. Entre sus principales aplicaciones destacan como motor de frecuencia variable, motor de corriente continua sin escobillas, servomotores y motores controlados digitalmente. Para realizar el control de los motores paso a paso, es necesario generar una secuencia determinada de impulsos. Además es necesario que estos impulsos sean capaces de entregar la corriente necesaria para que las bobinas del motor se exciten, por lo general, el diagrama de bloques de un sistema con motores paso a paso es el que se muestra en la Figura 4.2.

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

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Principio de funcionamiento. El motor paso a paso está constituido, como la mayoría de motores eléctricos, esencialmente de dos partes: Una parte fija llamada "estator“, construida a base de cavidades en las que van depositadas las bobinas que excitadas convenientemente formarán los polos norte-sur de forma que se cree un campo magnético giratorio. Una parte móvil, llamada "rotor" construida bien con un imán permanente o bien por un inducido ferromagnético, con el mismo número de pares de polos que el contenido en una sección de la bobina del estator; este conjunto va montado sobre un eje soportado por dos cojinetes que le permiten girar libremente. Si por el medio del control que sea (electrónico, informático, etc...), conseguimos excitar el estator creando los polos N-S, y hacemos variar dicha excitación de modo que el campo magnético formado efectúe un movimiento giratorio, la respuesta del rotor será seguir el movimiento de dicho campo, produciéndose de este modo el giro del motor. Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas están alimentadas, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas. La construcción de un motor práctico consiste en un estator de dos electroimanes con un número n de pares de polos cada uno. Los polos norte y sur de cada uno están desplazados entre sí medio paso polar, al tiempo que entre los dos electroimanes existe un desplazamiento de un cuarto de paso polar, entre polos del mismo nombre. El rotor de imán permanente se magnetiza con el mismo número de polos de uno de los electroimanes del estator. La interacción entre los polos del estator y los del rotor hace que, al aplicarse dos ondas cuadradas, desfasadas un cuarto de período entre sí, a las dos bobinas de los electroimanes, el rotor gire un cuarto de paso polar por cada cambio de polaridad de la tensión aplicada a las bobinas. Así, para un motor con doce pares de polos por bobina del estator, se producirán 48 pasos con doce pares de polos por bobina del estator, se producirán 48 pasos por revolución, es decir, 7.5º por paso (360 grados / 48 pasos = 7.5 grados, 360 / 7.5 = 48 pasos). Los valores de ángulos más usuales con sus respectivos pasos son:

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Tipos de Motores Paso a Paso: 1º. De imán permanente: Está formado por un estator de forma cilíndrica, con un cierto número de bobinados alimentados en secuencia, que crean un campo magnético giratorio de manera discontinua. El rotor, concéntrico con el estator y situado sobre el eje, contiene un imán permanente magnetizado, que en cada instante tenderá a alinearse con el campo magnético creado. Su principal ventaja es que su posicionamiento no varía aun sin excitación y en régimen de carga debido a la atracción entre el rotor y los entrehierros del estator.

2º. De reluctancia variable. (Iinducido ferromagnético) El estator presenta la forma habitual, con un número determinado de polos electromagnéticos. Sin embargo, el rotor no es de imán permanente sino que está formado por un núcleo de hierro dulce de estructura cilíndrica pero con un cierto número de dientes tallados longitudinalmente a lo largo de su superficie lateral. Cuando una corriente circula a través del bobinado apropiado, se desarrolla un momento que hace que el rotor gire a la posición en la cual la reluctancia (reactancia inductiva) del circuito sea mínima. Cuando se hace pasar una corriente a través de otro bobinado, el punto de reluctancia mínima se genera en otra posición, produciendo el giro del rotor a esa nueva posición.

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

Secuencia del tipo wave drive:

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

Bobina A

Bobina B

Bobina C

Bobina D

1

ON

OFF

OFF

OFF

2

OFF

ON

OFF

OFF

3

OFF

OFF

ON

OFF

4

OFF

OFF

OFF

ON

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

Paso 1; la bobina 1 esta activada, atrayendo los

Paso 2; la bobina 1 se apaga, y la bobina 2 (derecha)

Paso 3; De nuevo la bobina 2 se apaga, y la bobina

cuatro dientes superiores imantados del rotor.

se activa, moviendo 3 se activa. los dientes Resulta otra cercanos a la rotación de 3.6°. derecha. Resulta una rotación de 3.6°.

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Paso 4; La activación de la bobina 4 permite de nuevo la rotación de 3.6°. Cuando la bobina 1 se cargue de nuevo, un diente habrá permutado su posición a la derecha; como hay 25 dientes, se

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necesitaran 100 pasos para un giro completo. Secuencia de funcionamiento por Voltajes. Obsérvese como la variación de la dirección del campo magnético creado en el estator producirá movimiento de seguimiento por parte del rotor de imán permanente, el cual intentará alinearse con campo magnético inducido por las bobinas que excitan los electroimanes (en este caso A y B). Vcc es la alimentación de corriente continua (por ejemplo; 5V, 12V, 24V...) Tabla de orden de fases. En este caso concreto el motor tendrá un paso angular de 90º y un semipaso de 45º (al excitarse más de una bobina)

Paso

Terminal 1 Terminal 2 Terminal 1 Terminal 2 Imagen Bobina A Bobina A Bobina B Bobina B

Paso 1

+Vcc

-Vcc

(Semi-)Paso 2 +Vcc

-Vcc

Paso 3

+Vcc

-Vcc

+Vcc

-Vcc

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(Semi-)Paso 4 -Vcc

+Vcc

Paso 5

-Vcc

+Vcc

-Vcc

+Vcc

+Vcc

-Vcc

-Vcc

+Vcc

-Vcc

+Vcc

-Vcc

+Vcc

(Semi-)Paso 6

Paso 7

(Semi-)Paso 8 +Vcc

-Vcc

EN RESUMEN SE TIENE EL SIGUIENTE FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR PASO A PASO Explicaremos el funcionamiento del motor paso a paso de 8 polos, (360 / 8 = 45 grados) de rotor con imanes permanentes con ayuda de la siguiente figura. Cuando se activan las bobinas 1 y 5 con un pulso de corriente positivo y simultáneamente las 3 y ELECTRÓNICA DIGITAL. IPN ESIMECU/ D. QUINTERO M.

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7 con uno negativo el rotor girará hasta alcanzar la posición dibujada en la figura. Si a continuación activamos las bobinas 2 y 6 con un pulso positivo y las 4 y 8 con uno negativo el rotor girará 45º. Para que el rotor vuelva a girar otro paso será preciso activar las bobinas 1 y 5 con un pulso negativo y las 3 y 7 con uno positivo. Para que el rotor gire otro paso más habrá que activar ahora las bobinas 2, 4, 6 y 8 con los pulsos correspondientes. En la siguiente figura física, se muestra un motor paso a paso, donde S = Θ, N = 

Figura 4.3.- MOTOR PASO A PASO CON ROTOR DE IMANES PERMANENTES

PASO INICIAL

BOBINA

PULSO DE CORRIENTE

1 y 5

““

UBICACIÓN

MOVIMIENTO

POSICIÓN VERTICAL 3

y7

“Θ“

2 y 6

““

4

y8

“Θ“

3 y7

““

PRIMER PASO

GIRO de 45 GRADO

SEGUNDO PASO

GIRO de 45 GRADOS 1 y 5

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“Θ “

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Por tanto, si activamos el rotor con pulsos que se repitan periódicamente, el rotor irá girando paso a paso. Si la frecuencia de los pulsos es suficientemente elevada el rotor girará con una frecuencia de giro síncrono y constante, cuyo valor dependerá de la frecuencia de los pulsos y del número de polos. Con un número adecuado de bobinas podrán alcanzarse grandes velocidades de giro.

Resumen de Tipos Existen diferentes tipos de motor a pasos:  Imán Permanente.  Reluctancia variable (con embobinados).  Híbridos (mezcla de los 2 anteriores).

4.3 APLICACIONES Y DIAGRAMAS DE CONTROL En todas aquellas aplicaciones industriales en donde se requiera un posicionado de una pieza, embolo, válvula, en forma rápida y precisa; el motor de paso constituye un elemento idóneo por su elevada ergonomía. Los motores de paso también conocidos como stepper (paso a paso) motor pueden girar un ángulo preciso llamado paso como resultado de la aplicación de pulsos en sus entradas. La rotación angular puede ser horaria o antihorario dependiendo del orden de la secuencia de pulsos aplicados a sus bobinas. Su principio de funcionamiento esta basado en leyes de atracción y repulsión magnética (Ley de Coulomb). Aplicaciones              

Taxímetros. Disk-drive. Impresoras. Brazo y Robots completos. Patrón mecánico de velocidad angular. Registradores XY. Relojes Eléctricos. Casetes Digitales. Control Remoto. Maquinas de escribir electrónicas. Manipuladores. Posicionamiento de válvulas en controles industriales. Posicionamiento de piezas en general. Bombas impelentes en aplicaciones de electromedicina.

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Las aplicaciones del control de motores dependen de la modulación de pulsos, que consiste en pulsar la corriente de base con una frecuencia fija variando la proporción de tiempo encendido vs apagado. El diodo del circuito actúa cuando el transistor cierra el paso de la corriente, dejando pasar corriente que re-circula por el motor mientras el transistor no vuelva a permitir el paso de corriente. La corriente del motor disminuye paulatinamente disipándose por la resistencia del propio motor. Características de un motor a pasos        

Larga vida. (debido a que no tiene escobillas y por lo tanto no tiene piezas que sufran desgaste) Velocidad de respuesta elevada (