Embed Size (px)
Citation preview
1
PRUEBAS ACCESO CICLO FORMATIVO GRADO SUPERIOR
- TECNOLOGÍA INDUSTRIAL -
BLOQUE 5: Sistemas automáticos de control. Programación de sistemas automáticos.
1. SISTEMAS AUTOMÁTICOS.
Un sistema automático o de control es un conjunto de elementos interconectados entre sí, que
permiten automatizar una máquina o un proceso, sin intervención de agentes exteriores (incluido el
factor humano).
Están compuestos por un conjunto de operadores mecánicos, eléctricos y electrónicos.
Existen muchas máquinas y sistemas técnicos que, una vez puestos en marcha, funcionan por sí
mismos. Entre ellos se pueden destacar los del calentador de agua, la plancha, u otros sistemas más
complejos como el programador de la lavadora o lavavajillas, o alguno de máquinas industriales.
En general, todos los sistemas automáticos tiene una estructura similar: elementos de entrada,
de control y de salida.
1.1. PARTES DE UN SISTEMA AUTOMÁTICO O DE CONTROL.
La representación de una máquina, sistema o proceso puede hacerse mediante un diagrama
de bloques, de esta forma es más sencillo entender su funcionamiento, sin entrar en detalles.
Ejemplo: Sistema automático de control de temperatura de una habitación.
La entrada E es la temperatura inicial, y la salida S es la temperatura final.
Las partes elementales de un sistema de control son:
Elementos de entrada
Son los encargados de introducir una orden o información dentro del sistema. Son sensores o
captadores que recogen información sobre magnitudes físicas: posición, temperatura,
presión, humedad, luz, etc. Esta magnitud física puede ser un movimiento, un cambio de
temperatura, de luz, variación del nivel de un líquido, etc.
2
Estos sensores o captadores pueden ser: microinterruptores, finales de carrera, pulsadores,
conmutadores, sensores térmicos (NTC o PTC), sensores de luz (LDR), fotodiodos, sensores
de humedad, sensores de presión (presostato)…
Elementos de control
Son circuitos eléctricos, electrónicos, neumáticos o hidráulicos que reciben información sobre
la situación del sistema, la interpretan y emiten las órdenes necesarias. Se encargan de variar
la señal procedente del dispositivo o elemento de entrada (por ejemplo, aumentando o
disminuyendo la amplitud de la señal). También convierten una determinada señal de entrada
en otra completamente diferente (por ejemplo, un aumento de temperatura, puede provocar
poner en marcha un ventilador).
Elementos de salida
Puede ser actuadores como bombas, motores, cilindros neumáticos, un altavoz, una sirena,
un led, que operan sobre el producto o el entorno.
1.2. TIPOS DE SISTEMAS AUTOMÁTICOS O DE CONTROL.
No todos los sistemas automáticos o de control realizan su función con el mismo nivel de
automatización.
Los sistemas automáticos pueden ser de dos tipos: sistemas en lazo abierto y sistemas en
lazo cerrado.
Los sistemas de control de bucle o lazo abierto son aquellos en los que la acción de control es
independiente de la salida.
Los sistemas de control de bucle o lazo cerrado son aquellos en los que la acción de control
depende en cierto modo, de la salida.
Sistema en lazo abierto
Un sistema de control en lazo o bucle abierto es aquél en el que la señal de salida no influye
sobre la señal de entrada. La exactitud de estos sistemas depende de la calibración del mecanismo
de control, de manera que al calibrarlo se establece una relación entre la entrada y la salida con el fin
de obtener del sistema la exactitud deseada.
El diagrama de bloque de un sistema en lazo abierto es:
El sistema se controla bien directamente, o bien mediante un transductor y un actuador. El
esquema típico del sistema será, en este caso:
3
Un ejemplo característico es el horno microondas: antes de ponerlo en funcionamiento, se
determinan la intensidad de la radiación y el tiempo de funcionamiento.
Otro ejemplo sería un sistema automático de riego que sea programado para regar por las tardes:
El sistema funciona aunque la respuesta que produzca no se ajuste a lo esperado. Esté seca o
húmeda, la planta se riega.
Se utilizan en sistemas de control en lazo abierto en tostadoras de pan, un reloj, una lavadora, un
semáforo, un sistema de alumbrado público controlado por un interruptor horario, etc.
El principal inconveniente que presentan los sistemas de lazo abierto es que son extremadamente
sensibles a las perturbaciones. Si en un sistema en lazo abierto existen perturbaciones, no se obtiene
la variable deseada. Para evitar esta situación se tiene que utilizar sistemas en lazo cerrado.
Sistema en lazo cerrado
Para solucionar los problemas de los sistemas de lazo abierto se diseñan sistemas cuyo
funcionamiento dependa de la salida en cada momento. En estos casos, se dice que existe una
realimentación de la salida a la entrada.
La salida se compara con la entrada, para corregir posibles errores debidos a perturbaciones que
afecten al sistema.
El diagrama de bloques correspondiente a un sistema de control en lazo cerrado es:
El controlador está formado por todos los elementos de control y a la planta también se le
llama proceso.
En este esquema se observa cómo la salida es realimentada hacia la entrada. Ambas se
comparan, y la diferencia que existe entre la entrada y el valor de la salida, se conoce como error o
señal de error.
4
La señal de error, o diferencia entre los valores de la entrada y de la salida, actúa sobre los
elementos de control en el sentido de reducirse a cero y llevar la salida a su valor correcto. Se intenta
que el sistema siga siempre a la señal de referencia.
El diagrama de bloques anterior se puede sustituir por el siguiente:
La salida del sistema de regulación se realimenta mediante un sensor o captador. En el
comparador o detector de error, la señal de referencia (salida del transductor) se compara con la
señal de salida medida por el captador, con lo que se genera la siguiente señal de error.
El regulador o controlador es el elemento que determina el comportamiento del sistema, por lo
que debe ser un componente diseñado con gran precisión. Es el cerebro del sistema de control.
Mientras que la variable controlada se mantenga en el valor previsto, el regulador no actuará
sobre el elemento actuador. Pero si el valor de la variable se aleja del prefijado, el regulador modifica
su señal, ordenando al actuador que actúe sobre la planta o proceso, en el sentido de corregir dicho
alejamiento.
Un ejemplo de sistema de lazo cerrado sería un calentador eléctrico de agua. Es un sistema en el
que hay que determinar la temperatura que se desea alcanzar antes de que empiece a funcionar. El
termostato se encarga de conectar o desconectar el sistema según la temperatura que alcanza el
agua.
Otro ejemplo sería un sistema de riego en el que se mida continuamente el grado de humedad del
huerto. Sólo se pondría en marcha el riego cuando fuese necesario. En estos casos, se dice que
existe una realimentación de la salida a la entrada.
Otros mecanismos de control en lazo cerrado son el mecanismo de llenado de una cisterna de
agua, un sistema automático de iluminación, un sistema de calefacción controlado por un termostato,
etc.
5
2. COMPONENTES DE LOS SISTEMAS DE CONTROL.
Las acciones que se llevan a cabo en el control de cualquier sistema de producción son muy
variadas y requieren una gran cantidad de dispositivos que desempeñan funciones diferentes.
Los transductores son los elementos encargados de medir el valor de una magnitud. También
reciben el nombre de detectores o sensores. Los hay de muchas clases: de posición, de presencia,
de movimiento, de velocidad, de temperatura, etc.
Los comparadores se encargan de comparar la señal que produce el sistema con un valor de
referencia que se ha establecido de antemano y, según el valor de ésta diferencia, producir una señal
de error capaz de modificar el comportamiento del sistema.
Los reguladores son los encargados de mejorar la respuesta del sistema.
Los actuadores llevan a cabo alguna acción concreta sobre el proceso, una vez recibida la orden
del regulador. En este grupo hay que destacar la importancia creciente que ha ido adoptando la
robótica. Un robot es capaz de integrar multitud de actuadores diversos y ejercer una serie de
acciones previamente programadas.
2.1. ELEMENTOS TRANSDUCTORES.
Existen varios tipos de elementos transductores, en función de la magnitud que puedan detectar,
entre ellos nos encontramos:
Transductores de posición.
Un transductor o detector de posición es cualquier dispositivo capaz de
responder con una señal ante un objeto situado en su entorno. Esta señal puede
ser posteriormente utilizada por el sistema.
El contacto físico entre el objeto y el transductor no es necesario para que se
produzca la reacción de éste. Basta con la proximidad, es decir, que el objeto esté
situado dentro de la distancia de detección del aparato.
Pueden ser ajustables, es decir, puede variarse la distancia de detección entre un máximo y un
mínimo. Los más importantes son los siguientes:
Sensores inductivos. Basan su actuación en la acción de un campo
magnético: funcionan cuando el aparato detecta la variación de un
campo magnético en su cercanía debido al acercamiento o al
alejamiento de un objeto. Se utilizan generalmente para objetos metálicos.
Sensores capacitivos. Basan su actuación en la acción de un
campo eléctrico. Se fundamentan en la variación de un
condensador formado por una placa sensora y tierra. Se utilizan
para objetos que pueden ser metálicos y no metálicos.
6
Sensores de infrarrojos. Aprovechan las características de la radiación infrarroja, que es de la
misma naturaleza que la visible, pero de una longitud de onda mayor, de modo que no puede
ser captada por el ojo humano. Se utilizan en sistemas de protección perimetrales, es decir,
instalaciones de alarma para detectar intrusos: cuando una persona o un objeto interfiere el
haz invisible que emite el dispositivo, se produce la alarma.
Sensores ópticos. Las fotocélulas son elementos sensibles a
la luz y constan de un emisor y un receptor integrados
generalmente en el mismo cuerpo. Estos dispositivos emiten
un rayo de luz de longitud de onda conocida que puede
reflejarse en el soporte o en un objeto interpuesto,
dependiendo la respuesta del sistema en una u otra ocasión,
abriendo o cerrando el circuito. Las aplicaciones de las
fotocélulas es muy variada, por ejemplo, para detectar nivel
de altura de objetos o plantas embotelladoras (llenado, nivel de líquido, etc.).
Finales de carrera. Son interruptores que sirven para detectar
la posición de una determinada pieza, de un móvil, etc.
Cuando éste alcanza el extremo de s u carrera, actúan
mecánicamente sobre una palanca, émbolo o varilla,
produciendo el cambio de posición de unos pequeños contactos internos.
Interruptores de proximidad magnéticos. Están formados
por dos láminas metálicas imantadas que modifican su
posición cuando aproximamos un imán. Se usan para determinar la
posición de objetos, por ejemplo la apertura de puertas y ventanas.
Transductores de temperatura
La temperatura es una de las magnitudes que más se suelen medir para distintas aplicaciones.
La preparación o descongelación de alimentos, el acondicionamiento térmico del hogar, el lavado o
planchado de ropa, etc., son procesos para los que se debe controlar y medir la temperatura en algún
momento del proceso, para ello se utilizan varios transductores como los termostatos, los termopares
o los termistores.
Termostatos. Se basan en el funcionamiento del bimetal. Este elemento está formado por dos
metales o aleaciones diferentes que se encuentran firmemente soldadas; cuando se calientan,
su diferente temperatura de fusión hace que una se dilate antes de tiempo que la otra, por lo
que ese bimetal se dobla y se produce la desconexión del circuito. Cuando se vuelve a enfriar,
el bimetal recupera su forma con lo que el circuito vuelve a conectarse. Es el sistema de
aparatos como planchas, estufas, etc.
7
Termopares. Están constituidos por dos metales o aleaciones de
diferente naturaleza, unidos mediante soldadura en uno de sus
extremos. Esta soldadura se denomina unión caliente. Cuando el
termopar entra en contacto con el objeto, se genera una
diferencia de potencial entre sus extremos que varía en función de la temperatura. Por tanto,
la señal emitida por este dispositivo es una tensión que se mide en milivoltios (mV). Esta
medida se convierte después en temperatura (ºC) mediante otro dispositivo denominado
controlador de temperatura.
Termistores. Son resistencias cuyo valor óhmico varía
significativamente con la temperatura. Estas variaciones no son
generalmente del tipo lineal, es decir, los incrementos o las
disminuciones de temperatura no corresponden proporcionalmente
a los incrementos o las disminuciones de la resistencia del componente. Están
fabricados con óxidos metálicos (de manganeso, níquel, cobalto, etc.). Los
termistores más conocidos son las resistencias NTC (su valor óhmico disminuye
conforme aumenta la temperatura), las resistencias PTC (su valor óhmico
aumenta con el aumento de la temperatura) y las termorresistencias de platino (RTD).
Transductores de luz
La detección de la intensidad luminosa puede realizarse mediante una LDR, fotodiodos y
fototransistores.
Fotoresistencias (LDR). Son resistencias que modifican su valor en
función de la intensidad luminosa que incide sobre ellas. Cuanto mayor
es la luz menor es el valor de resistencia y viceversa. Suele utilizarse en los
sistemas de iluminación pública de calles y carreteras.
Fotodiodo. Es un dispositivo detector de luz. Consiste en un diodo
encerrado en una cápsula con una pequeña lente mediante la que
se hace incidir la luz. Tiene la propiedad de convertir las señales de
la luz en señales eléctricas. Al incidir la luz sobre este elemento, se
genera una corriente eléctrica. Cuando no hay luz se comporta
como un diodo normal.
Fototransistor. Un fototransistor es un transistor que en
función de la luminosidad ambiental modifica su
funcionamiento. La superficie sensible está situada en la base
del transistor. La cantidad de luz recibida es lo que genera la pequeña corriente necesaria en
la base para que el transistor la amplifique convenientemente. Suele funcionar en
conmutación.
8
2.2. ELEMENTOS COMPARADORES.
Los elementos comparadores o detectores de error son los elementos del sistema de control
encargados de proporcionar una señal en función de la diferencia existente entre la señal de salida
deseada y la realmente obtenida.
Este elemento comparador, por tanto, mide la desviación de lo que se pretende obtener a la
entrada y lo que se tiene realmente a la salida; cuando estos dos valores son iguales, el comparador
no da ninguna señal.
Los comparadores más sencillos y abundantes en la actualidad son los eléctricos debido a su
sencillez, eficacia y economía. Además, nos podemos encontrar con comparadores neumáticos,
electromecánicos, electrónicos, etc.
Neumáticos. Cuando ambas presiones son iguales, el señalador se
mantiene en la posición central. La variación de esta posición
permite conocer la diferencia entre las dos presiones aplicadas.
Eléctricos. Como el puente de potenciómetros. La señal de error se
obtiene como la diferencia de potencial entre los dos cursores, donde l es
la longitud de los potenciómetros.
Electrónicos. En el mercado existen circuitos integrados que actúan como
comparadores analógicos y digitales; entre los primeros en tecnología TTL
está el 741 y entre los segundos el 7485.
2.3. ELEMENTOS REGULADORES O CONTROLADORES.
Son los encargados de regular el funcionamiento del sistema y enviar las órdenes a los
actuadores. El regulador o controlador es el que modifica y ajusta todos los parámetros del sistema
de control.
Los sistemas automáticos disponen de una gran variedad de mecanismos de este tipo. Algunos
de los más conocidos son los temporizadores, los programadores y el ordenador:
Temporizadores. Son dispositivos que conectan o desconectan el sistema después de que
haya transcurrido un tiempo determinado. El microondas, un horno, etc., disponen de
temporizadores.
Programadores. Se trata de dispositivos electromecánicos o electrónicos que regulan una o
varias acciones del sistema. Suelen ir provistos de un microprocesador donde llevan grabado
el programa de trabajo. Las lavadoras automáticas, lavavajillas, los semáforos y procesos
9
industriales los llevan.
El ordenador. Es un dispositivo muy empleado en el control industrial en la actualidad, ya que
permite mucha versatilidad, así como la posibilidad de realizar cambios en función de las
necesidades que tengan las instalaciones donde se utilizan. Hoy en día, muchas aplicaciones
automáticas utilizan el ordenador como elemento de control.
El controlador o regulador constituye el elemento fundamental en un sistema de control, pues
determina el comportamiento del bucle, ya que condiciona la acción del elemento actuador en función
del error obtenido. La forma en que el regulador genera la señal de control se denomina acción de
control. Algunas de estas acciones se conocen como acciones básicas de control, mientras que otras
se pueden presentar como combinaciones de las acciones básicas.
ACCIONES BÁSICAS COMBINACIONES DE ACCIONES BÁSICAS
Proporcional (P) Proporcional – Integrador (PI)
Derivador (D) Proporcional – Derivador (PD)
Integral (I) Proporcional – Integrador – Derivador (PID)
Al controlador integrador también se le
llama integral. Al controlador derivador
también se le llama derivativo o diferencial.
2.4. ELEMENTOS ACTUADORES.
Los comparadores generan una señal de error que debe ser posteriormente utilizada para
modificar el funcionamiento del sistema. Esta señal puede activar directamente al actuador.
El actuador es el dispositivo encargado de actuar sobre el proceso una vez recibida la orden.
Debido a la gran cantidad de procesos controlados, existe una amplia gama de actuadores. Los
hay electrónicos, eléctricos, hidráulicos, neumáticos y electromecánicos.
Entre ellos podemos citar los relés o las electroválvulas capaces de obedecer a una señal
eléctrica o neumática procedentes del regulador y de actuar sobre la planta o proceso modificando
alguno de sus parámetros fundamentales de funcionamiento.
El relé
El relé es un dispositivo electromecánico.
Funciona como un interruptor o conmutador
controlado por un circuito eléctrico en el que,
por medio de un electroimán, se acciona un
juego de uno o varios contactos que permiten
10
abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Fue inventado por Joseph Henry en 1835.
Electroválvula
Una electroválvula es una válvula electromecánica, diseñada para controlar el
flujo de un fluido a través de un conducto como puede ser una tubería. La válvula
está controlada por una corriente eléctrica a través de una bobina.
Una electroválvula tiene dos partes fundamentales: la bobina o solenoide y la
válvula. El solenoide convierte energía eléctrica en energía mecánica para actuar
la válvula.
Existen varios tipos de electroválvulas. En algunas electroválvulas el solenoide
actúa directamente sobre la válvula proporcionando toda la energía necesaria para
su movimiento. Es común que la válvula se mantenga cerrada por la acción de un muelle y que el
solenoide la abra venciendo la fuerza del muelle. Esto quiere decir que el solenoide debe estar
activado y consumiendo energía mientras la válvula deba estar abierta.
Servomotor eléctrico
Existen un tipo de servomotores que funcionan con energía eléctrica. Estos servomotores, a
partir de una señal de control, consiguen un par máximo de rotación o de traslación. Pueden ser de
dos tipos: servomotores de continua y servomotores de alterna.
Los servomotores de continua presentan mayor rendimiento que los de alterna y se utilizan para
grandes potencias. En cuanto a los servomotores de alterna, van a desarrollar menor potencia que
los de continua.
Las válvulas de control
Uno de los elementos más utilizados en procesos industriales es
la válvula de control o servoválvula.
Una válvula de control es un orificio de área variable que se
intercala en la conducción por donde circula el fluido a controlar.
Básicamente, consta de un cuerpo y un motor o actuador que puede
ser eléctrico o neumático.
El actuador neumático sitúa el vástago de la válvula en función del
equilibrio de fuerzas existente entre un resorte calibrado y una señal de control neumática.
El actuador eléctrico es un motor con control de posición en lazo cerrado o un motor paso a paso.
El cuerpo de la válvula contiene el fluido a controlar y debe soportar las condiciones de servicio
que éste impone; por otro lado incorpora los medios de fijación a las tuberías que suelen ser bridas o
conexiones roscadas. Dentro del cuerpo de la válvula se sitúa el obturador y los asientos que, en
conjunto, forman el órgano de control del caudal del fluido.
Según su construcción, la válvula puede ser de acción directa, cuando al quedarse sin señal de
control queda abierta, o de acción inversa, cuando al quedarse sin señal de control queda cerrada.
11
Amplificador operacional
En los sistemas de control analógicos es frecuente disponer de señales de mV o mA. Para
utilizarlas, los circuitos utilizan un componente capaz de amplificar la señal a través de una energía
de alimentación.
El amplificador operacional es un circuito integrado que tiene dos entradas: la inversora (V-) y la
no inversora (V+), y una salida, además de dos patillas de alimentación (+Vcc y –Vcc). Hay otras dos
más para el ajuste.
El amplificador operacional ideal posee una impedancia (resistencia) infinita, lo que implica que
no se filtre intensidad por las entradas. Así el potencial será igual en ambas entradas. Además, la
entrada no inversora (+) se conecta a la masa (0 V), con lo que el potencial en ambas entradas es
cero.
Funcionamiento en lazo abierto
En lazo abierto el amplificador operacional amplifica las señales de la siguiente forma:
Vo será la diferencia de tensiones entre las patas V+ y V- multiplicado por la ganancia del
amplificador (A). Esta ganancia suele ser muy
alta, de diez mil o cien mil veces.
Vo = A · (V+ − V-)
La tensión de salida no puede ser superior a la
tensión positiva de alimentación (+Vcc) y no
puede ser menor que la tensión negativa de
alimentación (–Vcc).
Vo ≥ −Vcc y Vo ≤ +Vcc
Funcionamiento en lazo cerrado o retroalimentado
En la figura se muestra el amplificador operacional funcionando como amplificador inversor. La
señal de salida está amplificada aunque cambiada
de signo, lo que se puede solucionar con sólo
poner dos etapas.
En este circuito, hay que cumplir algunas
condiciones:
V+ debe estar conectado a tierra. Cuando
conecto algo a tierra estoy seguro que está
a cero voltios. Así me aseguro que V-
también está a cero voltios.
La entrada V- está conectada a la señal de entrada (Vinput o Vin) a través de una resistencia que
he llamado R1 y conectada a la señal de salida a través de otra resistencia que he llamado R2.
Cuando V- está conectada a través de “algo” (resistencias, condensadores, etc.) a la señal de
12
entrada y a la señal de salida se dice que está retroalimentada.
En retroalimentación la ganancia cambia. Ahora no es unas miles de veces, sino que tiene la
fórmula: A = -R2 / R1
Y para calcular la salida se aplica la fórmula: Vo = A ⋅ Vin
Los elementos finales de control más empleados son: cilindros hidráulicos, motores de c.c.,
motores de c.a. y motores paso a paso.
3. CIRCUITOS DE CONTROL.
3.1. CONTROL ELECTROMECÁNICO.
Se dice que el control es electromecánico cuando el sistema de control está formado por
dispositivos que se activan mediante el desplazamiento de piezas móviles (mecanismos, contactos,
etc.). Estudiaremos el uso de la leva, el final de carrera y el relé.
Levas (programador de levas, árbol de levas, etc.)
Si tienes la ocasión de desmontar una vieja lavadora, observarás
que su sistema de control es muy sencillo. Consiste en un cilindro
que a su alrededor tiene unas piezas muy especiales, llamadas levas
(programador de levas). Estas levas, al girar el cilindro, accionan
diferentes interruptores que ponen en marcha los dispositivos del
interior de la lavadora: motor para el giro del tambor, bomba para la
toma de agua, resistencia para el calentamiento del agua, motor para
el centrifugado, etc.
Este mecanismo se utiliza también en los motores de automóviles para la apertura y cierre de
válvulas (árbol de levas).
El interruptor de final de carrera
El interruptor de final de carrera se puede utilizar
como controlador en sistemas automáticos para activar o
desactivar otros dispositivos.
Habrás observado alguna vez, por ejemplo, que la
puerta de una cochera automática se detiene cuando se ha abierto por completo,
espera un poco a que pase el vehículo y se cierra pasados unos segundos.
El hecho de que se haya parado se ha debido a que se ha activado un
pulsador de final de carrera. Estos pulsadores o interruptores son elementos que se activan o
desactivan por la acción de un elemento móvil en el sistema (por ejemplo, la propia puerta).
Relés
Como ya sabes, un relé está formado por una bobina y una lámina metálica móvil unida a unos
13
contactos.
Cuando hacemos pasar una corriente eléctrica por la bobina, ésta se comporta como un imán y
atrae la lámina, que a su vez cambia la posición de los contactos. El relé es un interruptor
electromecánico. El relé se representa por el siguiente símbolo.
Se pueden construir diversos circuitos de control con relés, algunos de los cuales podemos ver a
continuación:
Relé de un contacto que activa una lámpara
Cambio de sentido de giro de un motor
Relé realimentado (montaje marcha – paro)
14
3.2. CONTROL ELECTRÓNICO.
El control electrónico se basa en la utilización de dispositivos semiconductores que permiten el
cambio de estado (conmutación) de los circuitos en los que se encuentran en función de
determinados parámetros: tiempo, luz, temperatura, humedad, etc.
Los componentes semiconductores que pueden formar parte de los circuitos de control electrónico
son:
Individualmente: transistores, diodos, LED, etc.
Formando parte de circuitos integrados, como el LM741, LM555, L293 o la familia 74XX
(puertas lógicas).
El control electrónico se basa principalmente en la utilización de dispositivos semiconductores y
de circuitos integrados como controladores.
Control mediante transistores
Se pueden construir sistemas de control muy sencillos empleando pocos componentes:
Un elemento de entrada formado con un sensor y un divisor de tensión.
Un transistor como elemento de control.
Un motor, una lámpara, un zumbador, un LED, etc. como elemento de salida.
Si usamos un LED como elemento de salida deberemos añadir una resistencia en serie para
evitar fundirlo.
Veamos varios ejemplos de circuitos con transistores para diversas aplicaciones.
Control de la luminosidad de una lámpara
A veces interesa poder graduar la intensidad de luz producida por una lámpara, como en el caso
de un estudio fotográfico o una sala de proyección cinematográfica. Estas instalaciones requieren
circuitos electrónicos algo más complicados,
pero su fundamento es el mismo que el
reflejado en el siguiente circuito.
Al girar el cursor del potenciómetro de 20
K se obtiene una variación de la intensidad
luminosa en la lámpara. Se puede deducir de
este fenómeno, que el grado de conducción
eléctrica del transistor depende de la
intensidad de corriente que pasa por su base. Efectivamente, cuando el cursor del potenciómetro esté
arriba, R1 queda conectada a la máxima tensión y por tanto, la corriente que circula por la base es
también máxima y el transistor conduce encendiéndose la lámpara. Con el cursor abajo la tensión
aplicada es nula, no se produce corriente de base y la lámpara estará apagada. Para posiciones
intermedias del cursor se obtienen diferentes grados de conducción del transistor.
Temporización mediante un transistor
15
En algunas ocasiones nos puede interesar hacer funcionar un aparato o máquina eléctrica
durante tiempos muy cortos, como sucede en algunas industrias donde ciertas operaciones de
fabricación duran solamente algunas décimas de segundo. La electrónica proporciona soluciones
muy eficaces a este tipo de problemas mediante circuitos denominados temporizadores, de manera
que, aunque se tenga accionado el interruptor más tiempo del necesario, la máquina solamente
funcionará durante el tiempo previsto. El esquema representado es un temporizador, con la finalidad
de encender una lámpara que
representa a una máquina
cualquiera.
Al pulsar P1 la lámpara se
enciende durante el tiempo en que
está cargando el condensador. Una
vez cargado, la corriente en la base
del transistor cesa, apagándose la
lámpara, ya que el transistor pasa al estado de bloqueo. Pulsando P2 descargamos el condensador,
lo que nos permite iniciar un nuevo ciclo. El tiempo en que permanece encendida la lámpara es
relativamente pequeño. Si se desea aumentarlo, hay que sustituir el condensador por otro de mayor
capacidad.
Detector de humedad
En algunas ocasiones nos puede interesar saber la humedad en alguna
zona. Una utilización práctica de esto puede ser un detector de humedad
para el sistema riego de una planta.
Mientras el nivel de humedad no sea el requerido, no habrá conducción
entre los dos contactos y el diodo led permanecerá apagado. Cuando se
llegue al nivel de humedad adecuado para la planta, habrá conducción
entre los contactos y el diodo led se encenderá para avisarnos y dejar de
regar. El potenciómetro P1 nos permite regular el nivel de humedad que
queremos.
Detector de luz (sensor de oscuridad)
El circuito siguiente nos avisa mediante un diodo
led cuando hay luz. Para ello utilizamos una LDR
(resistencia dependiente de la luz). Cuando hay
oscuridad, el valor de la resistencia de la LDR es
grande diodo led encendido. Cuando hay luz, el
valor de la resistencia de la LDR es pequeña
16
diodo led apagado. Mediante el potenciómetro de 2 K, regulamos el encendido del led.
Detector de temperatura
Para detectar la
temperatura en este circuito
utilizamos una NTC
(resistencia con coeficiente
negativo de temperatura).
Cuando la temperatura
aumenta el valor de la
resistencia de la NTC baja, accionando el relé y poniendo en marcha un motor u otro sistema (por
ejemplo un ventilador, sistema de riego, etc.). Con el potenciómetro de 10 K podemos regular la
temperatura a la que actúe.
Control mediante comparadores
En este caso se emplea un componente electrónico
nuevo, el amplificador operacional (LM741).
Para entender este tipo de control vamos a utilizar el
ejemplo siguiente: control de encendido / apagado de una
farola mediante la luz. El led se enciende automáticamente
cuando no hay luz. En el circuito de la derecha puedes ver
que el LM741 tiene dos entradas (-) y (+). Si la entrada (-)
tiene menor tensión que la entrada (+), a la salida tendremos
una tensión de alimentación de 9 V. Si es al contrario,
colocaremos a la salida 0 V.
Si se tapa la LDR con la mano (como si se hiciera de
noche), su resistencia aumentaría mucho, la tensión de
entrada del comparador disminuiría y la salida alcanzaría los 9 V.
3.3. CONTROL POR ORDENADOR.
Actualmente muchos sistemas automáticos se controlan mediante ordenadores. Para controlar
procesos mediante el ordenador necesitamos una tarjeta controladora o mediante autómatas
programables (PLC).
El control por ordenador se realiza mediante la confluencia de cuatro elementos:
El dispositivo a controlar.
El propio ordenador (PC).
Un dispositivo que conecte el dispositivo a controlar con el PC: un interfaz.
17
Un programa escrito en un lenguaje de programación.
En el aula de Tecnología
En el aula de tecnología el objeto a controlar suele ser una maqueta de algún proyecto. El interfaz
será una tarjeta controladora (CNICE, ENCONOR). El lenguaje de programación empleado puede ser
el Logo.
La tarjeta controladora permite comunicar el ordenador con la maqueta del proyecto. Mediante
esta tarjeta, el ordenador obtendrá datos de los distintos sensores de la maqueta y, a su vez,
permitirá activar diversos actuadores (motores, luces, etc.).
La controladora se conecta mediante un puerto del ordenador (serie o usb) como si fuera un
periférico más. Contiene varias salidas y entradas, tanto digitales o analógicas: las entradas y salidas
analógicas admiten múltiples valores; las digitales, sin embargo, solo pueden tomar valores de 0 o 1
(lógicos).
La tarjeta es controlada mediante un programa con el ordenador. Los programas se realizan
mediante lenguajes de programación. Los más usados con las controladoras son el Visual Basic, C o
Logo.
En una fábrica
Se utilizan en este contexto autómatas programables (PLC)
como el que aparece a la derecha, que requieren un lenguaje de
programación específico, dependiendo del fabricante.
4. REPRESENTACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL. DIAGRAMAS FUNCIONALES
O DE BLOQUES.
Un proceso o sistema de control es un conjunto de elementos interrelacionados capaces de
realizar una operación dada o de satisfacer una función deseada.
18
Los sistemas de control se pueden representar en forma de diagramas de bloques, en los que
se ofrece una expresión visual y simplificada de las relaciones entre la entrada y la salida de un
sistema físico.
A cada componente del sistema de control se le denomina elemento, y se representa por medio
de un rectángulo.
El diagrama de bloques más sencillo es el bloque simple, que consta de una sola entrada y de
una sola salida.
La interacción entre los bloques se representa por medio de flechas que indican el sentido de flujo
de la información.
En estos diagramas es posible realizar
operaciones de adición y de sustracción, que
se representan por un pequeño círculo en el
que la salida es la suma algebraica de las
entradas con sus signos. También se pueden
representar las operaciones matemáticas de
multiplicación y división como se muestra en la
siguiente figura.
5. ELECTRÓNICA DIGITAL.
5.1. SEÑALES ANALÓGICAS Y DIGITALES.
Podemos dividir la electrónica en dos grandes campos: la
electrónica analógica y la electrónica digital, según el tipo de señales
que utilice.
Las señales pueden ser de dos tipos:
Una señal analógica es aquella que puede tener infinitos
valores, positivos y/o negativos.
Mientras que la señal digital sólo puede tener dos valores 1
o 0.
En la actualidad, gran parte de la información se transforma de
señales analógicas a señales digitales. Mediante técnicas de
muestreo (toma de datos cada cierto intervalo de tiempo), un dispositivo electrónico, el convertidor
analógico/digital, puede convertir señales analógicas en digitales, es decir, en una secuencia de
cifras binarias.
19
Las señales digitales, presentan importantes ventajas frente a las analógicas, como mayor
inmunidad a las interferencias, mayor simplicidad de tratamiento, economía de circuitos, etc.
La complejidad de los procesos industriales hace imprescindible la utilización de circuitos
electrónicos digitales de control.
Estos circuitos digitales utilizan señales que pueden adoptar únicamente dos valores bien
diferenciados. A este tipo de señales se las denomina señales binarias.
A su vez, los circuitos digitales están compuestos por dispositivos capaces de distinguir y de
generar señales binarias. Los dispositivos electrónicos digitales más básicos, y a partir de los cuales
están constituidos todos los demás se denominan puertas lógicas.
La puerta lógica es el bloque de construcción básico de los circuitos digitales.
5.2. ÁLGEBRA DE BOOLE.
El álgebra de Boole es aplicable a variables que sólo admiten dos valores posibles, que se
designan por 0 y 1. Estos valores no representan números, sino dos estados diferentes de un
dispositivo. Por ejemplo, una lámpara puede estar encendida (1) o apagada (0), un interruptor o un
pulsador pueden estar cerrados (1) o abiertos (0).
Los circuitos digitales trabajan con señales binarias y las asocian a dos valores de tensión: nivel
alto y nivel bajo. Los niveles de tensión dependerán de la tecnología utilizada (TTL, CMOS, etc.).
Para la codificación binaria de las señales, al nivel alto se le asigna el valor lógico 1 y al nivel bajo
el 0 (lógica positiva), aunque puede ser al contrario (lógica negativa).
Una herramienta matemática útil para abordar el diseño de estos circuitos es el álgebra de Boole.
Las operaciones básicas del algebra de Boole son la suma lógica, el producto lógico y la
complementación (o negación).
La suma lógica se representa por el signo “+”, el producto lógico por el signo “·” y la
complementación se representa mediante un guión encima de la variable.
Las operaciones lógicas se pueden representar como funciones:
Para la suma, S = a + b
Para el producto, S = a · b
Complementario o negación, S = ā
Los circuitos electrónicos que realizan estas operaciones lógicas se denominan puertas lógicas.
5.3. FUNCIÓN LÓGICA Y TABLA DE VERDAD.
5.3.1. FUNCIÓN LÓGICA.
Una función lógica S, es una expresión algebraica en la que se relacionan las variables
independientes (a,b,c...) mediante las operaciones lógicas.
Ejemplo: S = a + b·c
20
A la función lógica se le denomina variable dependiente y a las variables que forman la
expresión matemática se les denomina variables independientes.
5.3.2. TABLA DE VERDAD.
La forma más simple de definir una función lógica es mediante su tabla de verdad, en la cual
se indican los valores que adopta la función lógica ante todas y cada una de las
combinaciones de valores de las variables independientes. Si tenemos n
variables independientes, tendremos 2n combinaciones posibles.
La tabla de verdad de la función S = a + b·c es:
La tabla tiene dos partes, las columnas de la izquierda corresponden a
las variables independientes o variables de entrada. La columna de la
derecha corresponde a la variable dependiente o variable de salida.
5.3.3. OBTENCIÓN DE LA FUNCIÓN LÓGICA A PARTIR DE LA TABLA DE VERDAD.
El primer paso en resolución de circuitos lógicos es la obtención de la tabla de verdad y
posteriormente obtener la función lógica a partir de esta.
A continuación se muestra como obtener la función a partir de la tabla de verdad.
A partir de la tabla de verdad se pueden obtener la función lógica de dos formas, como suma
de productos (Minterms) o como producto de sumas (Maxterms).
Una función lógica está expresada en forma canónica (Minterms o Maxterms), si cada uno de
sus términos incluye todas las variables (negadas o sin negar) de que consta la función.
Para obtener la función en suma de productos (Minterms) se opera de la forma siguiente:
Se deben tomar todas las combinaciones posibles de las variables donde la función tiene como
valor “1”, asignado el nombre de la variable cuando vale “1” y en nombre negado cuando vale “0”,
multiplicando las variables de una combinación. Y se suman todos los términos obtenidos de esta
manera.
Para obtener la función en productos de sumas (Maxterms) se opera de la forma siguiente:
Se deben tomar todas las combinaciones posibles de las variables donde la función tiene como
valor 0, asignado el nombre de la variable cuando vale 0 y en nombre negado cuando vale 1,
sumando las variables de una combinación. Y se multiplican todos los términos obtenidos de esta
manera.
Ejemplo:
A partir de la
siguiente tabla de
verdad, veamos cómo
queda su función lógica.
21
5.4. PUERTAS LÓGICAS.
Las puertas lógicas son los dispositivos electrónicos encargados de generar las funciones lógicas
básicas. De esta manera, constituyen la base de los circuitos digitales.
Para la representación gráfica de las puertas lógicas aplicaremos las normas ASA y DIN.
5.4.1. PUERTA OR (SUMA LÓGICA).
Realiza la suma lógica de variables. La expresión matemática para dos variables es: S = a + b
A continuación se muestra la tabla de la verdad de la función OR, su circuito eléctrico
equivalente y la simbología adoptada.
ASA
DIN
S vale 1, cuando alguna de las variables de entrada vale 1.
5.4.2. PUERTA AND (PRODUCTO LÓGICO).
Realiza el producto lógico de variables. La expresión matemática para dos variables es: S = a · b
A continuación se muestra la tabla de la verdad de la función AND, su circuito eléctrico
equivalente y la simbología adoptada.
ASA
DIN
S vale 1, cuando todas las variables de entrada valen 1.
5.4.3. PUERTA NOT O INVERSORA.
La puerta NOT también se denomina inversor. Su función es la negar el dato que recibe. Si a la
entrada tiene un 1, la salida será un 0, y viceversa. Si la variable de entrada es a, la complementada
o negada será ā. La expresión matemática es: S = ā
A diferencia de las demás puertas, el inversor tiene una sola entrada.
A continuación se muestra la tabla de la verdad de la función NOT, su circuito eléctrico
equivalente y la simbología adoptada.
22
ASA
DIN
S vale 1, cuando a = 0; S= 0, cuando a =1.
El contacto ā es el complementario del “a” de forma que, cuando “a” está abierto el
complementario está cerrado y viceversa.
5.4.4. PUERTA NOR.
Realiza la suma lógica negada. La expresión matemática para dos variables es:
A continuación se muestra la tabla de la verdad de la función NOR y la simbología adoptada.
ASA
DIN
S vale 1, cuando todas las variables de entrada valen 0.
5.4.5. PUERTA NAND.
Realiza el producto lógico negado. La expresión matemática para dos variables es:
A continuación se muestra la tabla de la verdad de la función NOR y la simbología adoptada.
ASA
DIN
S vale 0, cuando todas las variables de entrada valen 1.
5.4.5. PUERTA OR EXCLUSIVA.
También llamada puerta EXOR. Sólo existe para dos entradas. Presenta a su salida el valor
lógico 1 cuando las variables de entrada presentan valores diferentes. La expresión matemática que
la representa es: , y equivale a:
A continuación se muestra la tabla de la verdad de la función EXOR y la simbología adoptada.
23
ASA
DIN
5.4.6. PUERTA NOR EXCLUSIVA.
También llamada puerta EXNOR. Sólo existe para dos variables. Presenta a su salida el valor
lógico 1 cuando los valores de las dos variables de entrada coinciden, y presenta el valor lógico 0
cuando los valores de las variables de entrada son diferentes. La expresión matemática que la
representa es: , y equivale a:
A continuación se muestra la tabla de la verdad de la función EXNOR y la simbología adoptada.
ASA
DIN
5.5. DISEÑO DE CIRCUITOS CON PUERTAS LÓGICAS.
El método más simple, cuando el número de variables de entrada no es grande, consiste en
obtener la tabla de verdad de la función lógica a partir de las condiciones físicas de funcionamiento
del circuito que quiero diseñar.
Después obtendremos la función lógica a partir de dicha tabla de verdad y por último se simplifica
esta función lógica.
Hasta ahora hemos supuesto que cada combinación de entradas a un circuito lógico ha de dar
una salida o bien 0 o bien 1. Sin embargo, a veces sucede que algunas de dichas combinaciones de
entrada no podrán darse físicamente debido a las características del sistema que se pretende
controlar con el circuito lógico.
A estos términos se les llama términos de indiferencia, y da lo mismo que la salida del circuito
lógico sea 0 ó 1, ya que de hecho no se va a dar este caso (evidentemente salvo averías). Estos
términos se representan mediante una “x” o un guión “-“ en la tabla de verdad, y, como veremos
luego, pueden ser bastante interesantes de cara a simplificar el circuito lógico.
5.5.1. SIMPLIFICACIÓN DE FUNCIONES LÓGICAS.
Tal como obtenemos una función a partir de la tabla de verdad, no se trata de la expresión más
reducida de la misma. Por lo que se hace necesario simplificarla.
24
El diseñador debe intentar simplificar lo más posible la función lógica obtenida a partir de la
tabla de verdad, con objeto de reducir el coste, ocupar menos espacio y aumentar la fiabilidad del
circuito.
Normalmente, lo que se hace es intentar obtener una función lógica equivalente a la anterior,
con el menor número de términos posible y cada término con el menor número de variables posible.
Existen diversos métodos. Veamos dos de ellos.
Simplificación por el método algebraico
Se trata de aplicar las propiedades y teoremas del álgebra de Boole para obtener una función
lógica más reducida, tratando de agrupar y simplificar los términos.
No resulta muy útil cuando la función es compleja. Además, tampoco tenemos garantía de que
el resultado obtenido sea la expresión mínima.
Estas propiedades y teoremas son muy importantes para simplificar las funciones lógicas.
Para explicar este método lo mejor es emplear una función como ejemplo:
a) Primero agrupamos términos en parejas que tengan el mayor número de variables iguales. Se
puede utilizar el mismo término varias veces si es necesario. Propiedad distributiva.
b) Las parejas (c + c) = 1 y (b + b) = 1. Ley del complementario.
c) Quitamos el 1. Elemento neutro para la multiplicación.
Esta ya es la expresión simplificada de la función inicial. Generalmente es necesario aplicar
más propiedades hasta llegar a ella.
Simplificación por el método gráfico de Karnaugh
A diferencia del método anterior, el método de Karnaugh asegura obtener la expresión mínima
de una función lógica.
25
Antes de exponer el método, recordemos que términos adyacentes son aquellos que sólo
difieren en el estado de una de sus variables, como, por ejemplo:
y o bien y
Aplicando esta propiedad, la suma de dos términos adyacentes queda reducida a un único
término al que le falta la variable cuyo estado difería en ambos términos originales.
El fundamento del método de Karnaugh consiste en reducir a un solo término grupos de 2, 4,
8,... términos adyacentes.
Para aplicar el método, se construye otra tabla llamada tabla de karnaugh, cuyo número de
casillas es el mismo que tiene la tabla de verdad. Así, para n variables tendrá 2n casillas.
La forma de las tablas para 2, 3 y 4 variables es:
Es importante establecer correctamente el orden de
numeración de las casillas. Obsérvese que están
numeradas de forma que dos casillas contiguas
corresponden a términos adyacentes, es decir, entre dos
casillas contiguas, sólo una de las variables cambia de valor.
Las relaciones de adyacencia en las tablas de Karnaugh son las
siguientes:
En la tabla de dos variables son adyacentes las casillas
contiguas (un lado común).
En la tabla de tres variables son adyacentes tanto las casillas
contiguas como las casillas de la primera y última columna (es como si la tabla fuera el
desarrollo de un cilindro).
En la tabla de cuatro variables son adyacentes, además de las anteriores, las de la fila
superior con las de la fila inferior (siendo de la misma columna).
Veamos el procedimiento del método de Karnaugh:
1. Desde la tabla de verdad, se trasladan a la tabla de Karnaugh los valores que adopta la
variable de salida cuya función lógica se quiere simplificar.
2. Agrupamientos de “1”. Para que la función lógica quede lo más reducida posible nos
conviene realizar el mínimo de agrupamientos de “1” y con el mayor número de casillas
posible. Procedemos de la siguiente forma:
Se toman todos los “1” que no se pueden agrupar con ningún otro.
Se forman los grupos de dos “1” que no pueden formar un grupo de cuatro.
Se forman los grupos de cuatro “1” que no pueden formar un grupo de ocho.
Al hacer los agrupamientos no hay ningún problema en que una casilla pertenezca a más de un
agrupamiento simultáneamente.
26
Los agrupamientos conseguidos y los “1” aislados serán los términos que expresarán la
función lógica en forma irreducible.
Podemos observar que agrupando 2n “1” adyacentes, eliminamos n variables en el término
que representa al agrupamiento.
5.5.2. REALIZACIÓN DEL ESQUEMA DEL CIRCUITO A PARTIR DE SU FUNCIÓN LÓGICA.
Una vez que tenemos la función lógica ya
simplificada, procedemos a implementarla con puertas
lógicas. Veamos un ejemplo:
Sin embargo, podemos tener en cuenta que
según uno de los teoremas de Morgan
con lo que queda mucho más simple usando una
puerta NOR.
5.5.3. IMPLEMENTACIÓN DE PUERTAS LÓGICAS CON PUERTAS NAND Y NOR.
De cara a la realización física del circuito
electrónico con puertas lógicas, puede resultar
interesante tener en cuenta que cualquier puerta
lógica se puede construir con puertas NAND o con
puertas NOR. Por ello a estas puertas, se les llama
puertas universales.
Esto es interesante, primero porque el coste de
los circuitos con puertas NAND es más bajo que con
otras puertas.
En la tabla se muestra la forma de realizar las funciones básicas con puertas NAND y NOR.
27
AMPLIACIÓN DE CONTENIDOS
SISTEMAS AUTOMÁTICOS
TRANSDUCTORES
Transductores de desplazamiento o movimiento
Estos elementos se utilizan, por ejemplo, para la detección de la distancia entre dos cuerpos o el
recuento del número de objetos que se fabrican y se colocan en una cinta.
Como las distancias que se desean medir pueden ser de muy
diversa magnitud, el transductor que se utiliza en cada caso es
distinto y deberá estar basado en diferentes principios, aunque la
finalidad sea siempre medir una distancia. Ejemplo de ellos pueden
ser de tipo luminoso, radar, por ultrasonidos, etc.
También se pueden clasificar en el tipo de movimiento que
captarán, y así tendremos: de movimiento lineal (potenciómetro) y
movimiento angular (encoders).
Transductores de desplazamiento para medidas de grandes distancias
Utilizan principalmente el radar. El radar es un sistema para detectar, mediante el empleo
de ondas electromagnéticas la presencia y la distancia a la que se encuentran objetos que
interceptan en su propagación. Por medio de una antena emiten radiaciones
electromagnéticas en una determinada dirección. Un receptor amplifica los ecos que recibe
del objeto cuya distancia D se desea medir.
D = c · Δt / 2
Donde c es la velocidad de propagación de las ondas y Δt es el tiempo transcurrido desde que
la onda es emitida hasta que se recibe.
El radar se emplea en distancias mayores de 100 m, incluso más de 10 Km. Para medir
distancias inferiores a 100m se utilizan ultrasonidos (30 a 40 Hz) cuya velocidad de
propagación es mucho menor (340 m/s en el aire, 1450 m/s en el agua y 4000 m/s en
metales). Se utilizan en control de nivel de llenado de tolvas, indicación de alturas, etc.
Un sistema basado en ultrasonidos utilizado en exploración náutica es el sonar que utiliza
la misma fórmula anterior.
Transductores de velocidad
Tacómetro. Es un instrumento que indica la velocidad, generalmente en revoluciones por
minuto, de la máquina a la que va acoplado. El tacómetro mide una magnitud física o
mecánica, de la que se conoce la ley de variación en función de la velocidad. Normalmente
son tacómetros electrónicos, que producen una tensión proporcional a la variación de rotación.
28
Transductores de fuerza / presión
Los transductores más empleados se pueden clasificar en tres grupos: mecánicos,
electromecánicos y electrónicos.
Manómetro. Uno de los más utilizados es el tubo de Bourdon. Es de
sección elíptica, metálico y curvado, formando casi un anillo. Este anillo
está cerrado por un extremo y por el otro se le aplica la presión a medir. Al
aplicar la presión, el tubo tiende a enderezarse. El movimiento resultante
es transmitido y amplificado por un sector dentado y piñón o una palanca,
sobre el que va montada la aguja indicadora o transductor para obtener una señal eléctrica.
Piezoeléctricos. Se basan en la propiedad de algunos cristales de
producir cargas eléctricas si están sometidos a un esfuerzo. Esta
carga es proporcional a la fuerza, pero, al ser muy pequeña, se
necesita un circuito amplificador.
Galgas extensiométricas. Las galgas extensiométricas están
formadas por una fina lámina metálica depositada sobre un material flexible. Cuando se
deforma, se produce una variación de la resistencia de la misma (debido al cambio de forma y
a la presión) proporcional a la deformación producida por el peso del objeto. Se emplean en
básculas; para controlar deformaciones en edificios, puentes, etc.; y también se utilizan para
medir la presión. Para medir la variación de la resistencia eléctrica de las galgas se utiliza el
puente de Wheatstone. Las galgas pueden ser una, dos o todas las resistencias del puente.
REGULADOR O CONTROLADOR
Simbología de los distintos tipos de controladores
Controladores de acciones Básicas
Controlador de acción Proporcional (P)
En este regulador la señal de accionamiento es proporcional a la señal de error del sistema. Si
la señal de error es grande, el valor de la variable regulada es grande y si la señal de error del
29
sistema es pequeña, el valor de la variable regulada es pequeño.
Es el más simple de todos los tipos de control y consiste simplemente en amplificar la señal de
error antes de aplicarla a la planta o proceso.
Teóricamente, en este tipo de controlador, si
la señal de error es cero, la salida del controlador
también será cero. La repuesta, en teoría es
instantánea, con lo cual el tiempo no interviene
en el control. Sin embargo, en la práctica, esto
no es así, de forma que, si la variación de la señal de entrada es muy rápida, el controlador no
puede seguir dicha variación y seguirá una trayectoria exponencial hasta alcanzar la salida
deseada.
La función de transferencia de este regulador es una constante: G(s) = Kp
Controlador de acción Integral (I)
En un controlador integral, la señal de salida del mismo varía en función de la desviación y del
tiempo en que se mantiene la misma, o dicho de otra manera, el valor de la acción de control es
proporcional a la integral de la señal de error. En este tipo de control la acción varía según la
desviación de la salida y el tiempo durante el que esta desviación se mantiene.
La respuesta en el tiempo, del bloque de control integral, ante una señal de tipo escalón es:
La pendiente de la rampa de acción integral es Ki, lo que implica que la velocidad de
respuesta del sistema de control dependerá del valor de Ki.
El problema principal del controlador integral radica en que la respuesta inicial es muy lenta, y
hasta pasado un tiempo, el controlador no empieza a ser efectivo. Sin embargo elimina el error
remanente que tenía el controlador proporcional.
La función de transferencia del regulador de acción integral es: G(s) = Ki / s
Controlador de acción diferencial
La acción diferencial es de tipo anticipativo, detecta si va a existir una sobreoscilación
excesiva, proporcionando la acción de control adecuada para evitarla antes de que tenga lugar.
30
Controlador de acción proporcional e integral (PI)
En la práctica no existen controladores que tengan sólo
acción integral sino que llevan combinada una acción
proporcional. Estas dos acciones se complementan. La
primera en actuar es la acción proporcional
(instantáneamente) mientras que la integral actúa durante un
intervalo de tiempo. Así y por medio de la acción integral se
elimina la desviación remanente (proporcional).
Como se observa en la figura, la respuesta del
controlador PI es la suma de las respuestas de un
controlador proporcional y un controlador integral lo que
proporciona una respuesta instantánea al producirse la correspondiente señal de error provocada
por el control proporcional y un posterior control integral que se encargará de extinguir totalmente
la señal de error.
Controlador de acción proporcional y derivativa (PD)
Esta acción, al igual que la integral, no se emplea sola, sino que va unida a la acción
proporcional (PD).
En este tipo de controladores, debemos tener en cuenta que la derivada de una constante es
cero y, por tanto, en estos casos, el control derivativo no ejerce ningún efecto, siendo únicamente
útil en los casos en los que la señal de error varía en el tiempo de forma continua.
Por tanto, el análisis de este controlador ante
una señal de error de tipo escalón no tiene sentido
y, por ello, se ha representado la salida del
controlador en función de una señal de entrada en
forma de rampa unitaria.
Como se observa en la figura anterior la
respuesta del controlador se anticipa a la propia
señal de error, de ahí que al tiempo Td se le
denomine tiempo de anticipación o adelanto. Este
tipo de controlador se utiliza en sistemas que deben actuar muy rápidamente, puesto que la salida
está en continuo cambio.
Al incorporar a un controlador proporcional las características de un controlador derivativo, se
mejora sustancialmente la velocidad de respuesta del sistema, a consta de una menor precisión
en la salida (durante el intervalo de tiempo en que el control derivativo esté funcionando).
El controlador PD se utiliza poco, debido a que no puede compensar completamente las
desviaciones remanentes del sistema y si la componente D es un poco grande, lleva rápidamente
31
a la inestabilidad del bucle de regulación.
Controlador de acción PID
Aprovecha las características de los tres reguladores anteriores, de forma, que si la señal de
error varía lentamente en el tiempo, predomina la acción proporcional e integral y, si la señal de
error varía rápidamente, predomina la acción derivativa.
Tiene la ventaja de tener una respuesta más rápida y una
inmediata compensación de la señal de error en el caso
de cambios o perturbaciones. Tiene como desventaja que
el bucle de regulación es más propenso a oscilar y los
ajustes son más difíciles de realizar.
La respuesta en el tiempo de este bloque se muestra
en la figura siguiente:
Ki = KP / Ti ; Kd = KP · Td
DIAGRAMAS FUNCIONALES O DE BLOQUE
Se puede representar el comportamiento de cada uno de los
componentes del sistema mediante un bloque funcional,
caracterizado por su función de transferencia. El sistema queda
configurado como un conjunto de bloques unidos por flechas.
La función de transferencia (FDT) del conjunto puede ser deducida a
partir de las funciones de transferencia parciales.
Además de los bloques definidos por su función de transferencia,
intervienen los denominados comparadores o detectores de error. Su
misión es efectuar la suma o diferencia de señales, según el signo.
Un comparador diferencial puede ser un amplificador diferencial, un
potenciómetro, etc.
La representación de la FDT en forma de diagrama de bloques debe
parecerse físicamente a aquello que quiere representar.
REPRESENTACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL
La combinación de funciones y bloques conduce a un diagrama de bloques que relaciona las
entradas con las salidas. El diagrama de bloques indica claramente el flujo de señal del sistema
real.
Combinación entre las líneas de actuación
La interacción entre bloques viene representada por líneas de actuación que llevan en su extremo
una flecha que indica el sentido del flujo.
32
Combinaciones básicas de bloques
Conexión en serie. La señal de salida de un bloque es la entrada
del siguiente. Para obtener la función de transferencia global,
determinamos la función de cada bloque:
V(s) =G2(s) · Y(s); Y(s) = G1(s) · U(s)
Si sustituimos en la primera: V(s) = G1(s) · G2(s) · U(s)
La función de transferencia total será: V(s) / U(s) = G1(s) · G2(s)
Por tanto la función de transferencia es el producto de las funciones de transferencia de cada uno
de los elementos. Puede modificarse el orden de los factores.
Conexión en paralelo. Al conectar elementos en paralelo se debe
disponer de un nudo sumador a la salida.
V1(s) = G1(s) · U(s) y V2(s) = G2(s) · U(s)
V(s) = V1(s) + V2(s) = G1(s) · U(s) + G2(s) · U(s) = (G1+G2) · U(s)
La función de transferencia total será: V(s) / U(s) = G1(s) + G2(s)
Conexión en anillo con realimentación directa. Esta conexión requiere
un montaje como el de la figura.
Las ecuaciones a tener en cuenta son:
R(s) = U(s) – V(s) y V(s) = G(s) · R(s) Si
sustituimos R(s), nos queda:
V(s) = G(s) · [U(s) – V(s)]; V(s) = G(s) · U(s) – G(s) · V(s)
V(s) + G(s) · V(s) = G(s) · U(s); V(s) · [1 + G(s)] = G(s) · U(s);
La función de transferencia total será: V(s) / U(s) = G(s) / [1 + G(s)]
Conexión en anillo con realimentación a través de un segundo elemento. Las funciones de cada
elemento son: R(s) = U(s) – X(s); X(s) = H(s) · V(s); V(s) = G(s) · R(s)
Primero sustituimos R(s): V(s) = G(s) · [U(s)
– X(s)] = G(s) · U(s) – G(s) · X(s)
Luego cambiamos X(s) por su valor y nos
33
queda: V(s) = G(s) U(s) – G(s) · H(s) · V(s)
V(s) + G(s) · H(s) · V(s) = G(s) · U(s); V(s) · [1+ G(s) · H(s)] = G(s) · U(s)
La función de transferencia total será: V(s) / U(s) = G(s) / [1 + H(s) · G(s)]
Transposición de ramificaciones y nudos. En el proceso de reducción del diagrama de bloques, a
veces interesa trasponer
un punto de bifurcación.
En la figura se
representan estos casos.
La transformación puede
hacerse en sentido
inverso.
En cuanto a los puntos
de suma ocurre lo
mismo.
COMPONENTES DE LOS CIRCUITOS DE CONTROL ELECTRÓNICO
El condensador
Un condensador es un componente utilizado para almacenar carga eléctrica. Está formado por
dos placas paralelas, denominadas armaduras, que se encuentran separadas entre sí por un
material eléctrico llamado dieléctrico. Soldados a dichas placas metálicas van dos conductores
que constituyen los terminales de conexión del condensador.
Los condensadores de capacidad fija pueden ser polarizados o no
polarizados. Con los condensadores polarizados (electrolíticos) hay que
tener la precaución de montarlos respetando su polaridad (la traen
marcada). Con los no polarizados (cerámicos, de poliéster) no es
necesario tener dicha precaución ya que pueden ser conectados de una
manera u otra.
La capacidad (C) de un condensador depende directamente de la
superficie de sus armaduras e inversamente de la distancia que los separa. Su unidad de medida
es el Faradio (F), y por tratarse de una unidad de medida muy grande, se suelen utilizar siempre
divisores de éste: milifaradio (mF), microfaradio (µF), nanofaradio (nF), picofaradio (pF).
C = Q / V
34
El condensador es utilizado en los circuitos temporizadores, con lo que es muy útil conocer el
tiempo en que tarda en cargarse o descargarse un condensador.
Si cargamos un condensador (C) en
serie con una resistencia R, el tiempo
que tarda en cargarse a dos tercios de su
capacidad (o que la tensión de sus
patillas sea 2/3 de la tensión de
alimentación) es su constante de tiempo
( = R C). El tiempo que tarda en cargarse o descargarse completamente se determina por
medio de la siguiente expresión: = 5· R C
También existe un retardo cuando descargamos el condensador a través de una resistencia.
Diodo rectificador
El diodo es posiblemente el componente de semiconductor más
sencillo, y no por eso el menos útil. Se basa en la unión de dos
semiconductores, uno de tipo N y otro de tipo P. Su característica más
importante es que sólo permite el paso de la corriente en un sentido y no en el otro.
Tiene dos terminales, positivo y negativo, llamados ánodo (A) y cátodo (K).
Para identificarlos, los diodos tienen una franja blanca o plateada pintada en uno
de sus lados, que nos indicará el cátodo. Su símbolo es el siguiente.
Cuando el diodo se polariza directamente (terminal positivo de la pila al
ánodo y negativo al cátodo) conduce la corriente eléctrica y cuando se
polariza inversamente (al revés) no conduce la corriente y abre el circuito.
Es decir, se comporta como un interruptor cerrado o abierto en función de su polarización.
La caída de tensión entre ánodo y cátodo es teóricamente cero. En realidad veremos que hay
una pequeña tensión de 0,6 V.
Las características principales de un diodo son la intensidad máxima que puede soportar en
polarización directa (IFmax) sin averiarse y la tensión inversa máxima (VAKr), tal y como su nombre
indica es la máxima tensión que puede soportar el diodo cuando se encuentra en polarización
inversa.
El transistor
Está formado por tres capas de material semiconductor
(de tipo P o de tipo N), dando lugar a dos tipos de
transistores: los de tipo NPN y los de tipo PNP.
El transistor tiene tres terminales de conexión denominados base (B), colector (C) y emisor
(E). Uno de los transistores más comunes es el transistor bipolar.
35
El transistor es un componente electrónico que permite controlar
la corriente que circula entre dos de sus tres terminales (C y E),
mediante una pequeña corriente aplicada en el tercer terminal (B).
La corriente de base es muy pequeña en comparación con la
corriente de colector y emisor. Se cumple que:
IE = IC + IB
El transistor puede funcionar de dos formas que permiten diferentes aplicaciones:
Activa
Se utiliza en amplificadores de señal, reguladores, instrumentación analógica, etc. Estas
aplicaciones se caracterizan porque las tensiones o intensidades de salida son función de las
tensiones o intensidades de entrada. Se cumple que:
IC = IB
Donde IC es la corriente de colector, IB la corriente de base, IE la corriente de emisor y es el
factor de amplificación de la corriente de base (ganancia de corriente), cuyo valor varía según el
transistor (suele oscilar entre 150-200).
Conmutación (saturación o corte)
Se utiliza en aplicaciones basadas en dos estados estables o binarios, en los sistemas
digitales y una buena parte de automatismos. En este modo de conmutación el transistor se
comporta como un interruptor. Si utilizamos el transistor como interruptor, la IB se controla con una
resistencia a la entrada de la base. La resistencia se pone para evitar que la corriente IB sea
demasiado grande que pueda fundir el transistor.
Cuando la tensión en la base es 0V, la tensión base-emisor (VBE) es cero, no hay corriente IB y
tampoco IC, el transistor está en corte, no hay circulación de corriente entre el colector y el
emisor.
Para que el transistor entre en funcionamiento, es necesario que la VBE sea de 0,6V (tensión
umbral). En este caso el transistor se comporta como
un interruptor cerrado, circulando una corriente
elevada por el colector y el emisor.
Un circuito de polarización para un transistor
NPN podría ser este:
Las características principales de un transistor son:
ICE máxima: intensidad de corriente colector-emisor máxima que soporta el transistor.
Ganancia (): su valor es variable y depende del tipo de transistor. En los transistores de bajo
coste este parámetro no es muy preciso.
36
Potencia máxima: depende de la corriente máxima de colector (IC) que puede pasar sin que se
caliente en exceso y se queme el transistor.
Diodo led
El diodo LED es un diodo que emite luz cuando lo polarizamos directamente.
Al igual que los diodos, sólo dejan pasar la corriente en un sentido.
Podemos identificar el cátodo porque está situado junto a un chaflán que
tiene la cápsula. Esta cápsula puede ser de varios colores (rojo, verde, ámbar,
etc.). Se utilizan en multitud de aparatos para señalizar su estado de
funcionamiento.
Este tipo de diodos funciona al aplicarles un tensión entre 1,8 y 3,6 voltios y su intensidad de
funcionamiento oscila entre 10 y 40 mA. Debido a que soporta corrientes muy pequeñas, para
protegerlo se pone en serie con él una resistencia.
El valor de la resistencia se calcula partiendo de los datos del LED, IF
y VAK, y de la tensión del generador, VG, que debe ser conocida.
R = (VG – VAK) / IF
ELECTRÓNICA DIGITAL
SISTEMA BINARIO
El sistema binario, en matemáticas e informática, es un sistema de numeración en el que los
números se representan utilizando solamente las cifras cero y uno (0 y 1). Los ordenadores trabajan
internamente con dos niveles de voltaje, por lo que su sistema de numeración natural es el sistema
binario (encendido 1, apagado 0).
BIT: unidad mínima de información con dos estados posibles, el cero y el uno.
Para pasar un nº en sistema binario en su equivalente en sistema decimal:
11101 2= 1.24+1.23+1.22+0.21+1.20 = 29 10
Para pasar un número decimal entero a binario: se divide por dos sucesivamente hasta que el
último cociente sea inferior a 2. El último bit será el bit más significativo, seguido de los restos
comenzando del último al primero.
Ejemplo: transforma 27 en su equivalente binario:
Bit de menor peso o menos significativo
Bit de mayor peso o más significativo
37
Orden ascendente
27 2
1 13 2
1 6 2
0 3 2
1 1
Luego: 2710= 11011 2
CÓDIGOS BINARIOS
El sistema de numeración más adecuado para los circuitos digitales es el sistema binario. Se
pueden establecer distintas correspondencias biunívocas entre los números en sistema decimal y en
sistema binario. En ocasiones conviene utilizar otros códigos distintos al binario natural para
representar números o realizar operaciones.
Código binario natural
Es un código que hace corresponder a un número decimal su
correspondiente binario, es decir utilizando solamente los símbolos 0 y 1.
Código BCD (decimal codificado a binario)
Es un código en el que cada número decimal se codifica directamente a
binario. Para representar 10 dígitos, del 0 al 9, necesitamos 4 bits. Por tanto, de
las 16 combinaciones posibles (24) con 4 bits, en el código BCD solamente se
utilizan 10. Esto hace que el número de bits necesarios para representar una
cantidad en código BCD sea superior al del código binario natural.
Los códigos BCD se pueden clasificar en dos categorías principales: códigos
ponderados y no ponderados.
Los códigos BCD ponderados son aquellos en los que a cada posición o
cifra binaria, se le asigna un peso.
Algunos de los códigos BCD son: BCD natural (8421), BCD Aiken (2421) o el BCD exceso de tres.
FUNCIÓN LÓGICA
Es aquella función cuyos valores son binarios y dependen de una expresión algebraica formada
Bit más significativo
Bit menos significativo
38
por una serie de variables binarias relacionadas entre sí por determinadas operaciones.
PUERTAS LÓGICAS
A las operaciones básicas del álgebra de Boole cuando se implementan mediante circuitos
electrónicos se les acostumbra a llamar puertas lógicas.
Para realizar circuitos electrónicos que realicen estas operaciones,
los fabricantes de componentes electrónicos construyen circuitos
integrados (CI) basados en transistores, en cuyo interior implementan
varias puertas. Las patillas del mismo constituirán las entradas, salidas
y la alimentación.
Cada CI tiene un código que identifica el número y el tipo de puertas que incorpora.
FORMAS CANÓNICAS
A partir de una tabla de verdad, podemos obtener múltiples expresiones para la misma función.
Todas esas expresiones son equivalentes y podemos obtener unas expresiones de otras aplicando
las propiedades del Álgebra de Boole.
Existen dos tipos de expresiones que se obtienen directamente de la tabla de verdad, de forma
inmediata. Se denominan formas canónicas. Se caracterizan porque en todos los términos de estas
expresiones aparecen todas las variables.
Primera forma canónica
Una función que esté en la primera forma canónica se caracteriza porque está formada por
sumas de productos o minterms. Y recordemos que por ser una forma canónica, en todos sus
términos se encuentran todas sus variables.
Un ejemplo de una función de 3 variables, expresada en la primera forma canónica es la
siguiente: f = a.b.c + a . b .c + a .b.c
La obtención de la primera forma canónica, a partir de una tabla de verdad es inmediata.
Tomamos la tabla de verdad y sólo nos fijamos en las filas en las que la función vale ’1’, olvidándonos
del resto.
Por cada una de estas filas tendremos un sumando, constituido por el producto de todas las
variables, aplicando la siguiente regla: si una variable está a ’0’, en la fila escogida, usaremos la
variable negada, y si está a ’1’ usaremos la variable sin negar.
La primera forma canónica también se puede representar así:
f = 3
m (0,1,3,5,6); donde m significa minterm o producto de variables, el número 3 debajo del
símbolo sumatorio es el número de variables y los números entre paréntesis corresponden a las
posiciones que ocupan los “unos de la función” en la tabla de verdad.
39
Segunda forma canónica
Una función en la segunda forma canónica se caracteriza porque está formada por un producto
de sumas o maxterms. Y en todos sus términos deben aparecer todas sus variables, bien negadas o
no.
Está constituida por términos que van multiplicados, y cada uno de ellos está formado por sumas.
Un ejemplo de una función de 3 variables, expresada en la segunda forma canónica es la
siguiente: f = ))·()·(( cbacbacba
La obtención de la segunda forma canónica, a partir de una tabla de verdad es inmediata. El
proceso se denomina “desarrollo de la tabla de verdad por ceros”. Tomamos la tabla de verdad y sólo
nos fijamos en las filas en las que la función vale ’0’, olvidándonos del resto.
Por cada una de estas filas tendremos un término, constituido por la suma de todas las variables,
aplicando la siguiente regla: si una variable está a ’1’, en la fila escogida, usaremos la variable
negada, y si está a ’0’ usaremos la variable sin negar.
Es decir, que esta regla es justo la contraria que cuando estábamos trabajando con la primera
forma canónica.
La segunda forma canónica también se puede representar así:
f = 3
M (2,4,7); donde M significa maxterm o suma de variables, el número 3 debajo del símbolo
producto es el nº de variables y los números entre paréntesis corresponden a las posiciones que
ocupan los “ceros de la función”.
CIRCUITOS COMBINACIONALES
Son aquellos que se construyen con las puertas lógicas descritas anteriormente. Se les llama
combinacionales debido a que la salida depende únicamente de las distintas combinaciones entre las
entradas y no de estados anteriores o del tiempo.
DECODIFICADOR
Circuito integrado por el que se introduce un número y se activa una sola de las salidas,
permaneciendo el resto de salidas desactivadas. Tiene n entradas y 2n salidas.
A continuación podemos ver un decodificador 2 a 4:
La señal de inhibición pone todas las salidas a 0.
40
Tabla de verdad: Diseño de un decodificador de 2 a 4:
Ejemplo de aplicación: controlar un semáforo
Si utilizamos un
decodificador de 2 a 4,
conseguiremos controlar el
semáforo asegurándonos que sólo
estará activa una luz en cada
momento. Además, el circuito de
control que diseñemos sólo tiene
que tener 2 salidas.
Si el circuito de control envía el número 2, se encenderá la luz verde (que tiene asociado el
número 2) y sólo la luz verde!!!. Un decodificador activa sólo una de las salidas, la salida que tiene un
número igual al que se ha introducido por la entrada. En el ejemplo del semáforo, si el circuito de
control envía el número 3, se activa la salida O3 y se encenderá la luz azul (y sólo esa!!).
Decodificadores con activación simultánea de varias salidas
Permiten activar varias salidas a la vez según la combinación deseada.
El más típico es el decodificador BCD-7 segmentos usado en los displays de las calculadoras,
relojes, etc. Las salidas se nombran como a, b, c, d, e, f y g.
CODIFICADOR.
41
Es un circuito integrado que permite compactar la información
generando un código de salida a partir de la información de entrada.
Realiza la función inversa al decodificador. Tiene 2n entradas y n salidas.
A continuación podemos ver un codificador 4:2
Tabla de verdad:
La solución válida será “1” siempre que haya un “1” en las señales de entrada.
Codificador con prioridad
En caso de producirse acciones simultáneas de varias de sus
entradas, en la salida se presentará el código de aquella que tenga
asignada mayor peso, normalmente la de mayor valor decimal.
Convertidores de código
Sirven para cambiar de código (de BCD natural a Aiken, de binario natural a Aiken, de BCD
natural a binario natural, etc.)
MULTIPLEXOR
Es un circuito integrado en el que las entradas de control seleccionan
una entrada entre varias para llevar la información de ésta entrada a una
única salida. Tiene 2n entradas, n entradas de control y una única salida.
Puede haber una entrada de habilitación (E): si está a “1” la salida
sigue igual, si está a “0”, la salida es “0”.
Tabla de verdad: Diseño de un multiplexor 4:1
Aplicación del multiplexor: generar funciones lógicas.
42
Los demultiplexores realizan una función contraria a los anteriores, dirigiendo la información a la
salida seleccionada mediante las entradas de control.
COMPARADOR
Son circuitos que detectan las relaciones mayor (M >), menor
(m <) e igual (I =). Presentan dos grupos de n líneas de entrada
(A y B) que son la expresión en binario de los números que
queremos comparar y tres líneas de salida (M, I, m).
