ESQUEMAS BASICOS DE CIRCUITOS ELECTRONICOS

http://es.wikipedia.org/wiki/Diagrama_de_bloques

http://www.slideshare.net/ptah_enki/diagramas-de-bloques

http://es.scribd.com/doc/18415479/Diagramas-de-Bloques-en-Sistemas-de-Control-de-Procesos

Los circuitos electrónicos básicos están constituídos por un conjunto de semiconductores que de acuerdo con la forma que están conectados entre sí, los semiconductores pueden formar unos conjuntosque se contituyan que podríamos denominar una máquina cuyo funcionamiento hay que considerar aparte del funcionamiento individual de cada semiconductor, para pasar a considerarlo en su conjunto.

Existen circuitos básicos electrónicos que son de amplificación, de oscilación, multivibradores, estabilizadores, demoduladores, etc, que en electrónica hay un gran número de ellos que los ingenieros distribuyen en sus proyectos para la consecución de los dispositivos electrónicos que se pretendan.

Los elementos básicos de un circuito eléctrico son: Un generador de corriente eléctrica, en este caso una pila; los conductores (cables o alambre), que llevan a corriente a una resistencia foco y posteriormente al interruptor, que es un dispositivo de control.

Todo circuito eléctrico requiere, para su funcionamiento, de una fuente de energía, en este caso, de una corriente eléctrica.

¿Qué es la corriente eléctrica? Recibe este nombre el movimiento de cargas eléctricas (electrones) a través de un conducto; es decir, que la corriente eléctrica es un flujo de electrones.

¿Qué es un interruptor o apagador? No es más que un dispositivo de control, que permite o impide el paso de la corriente eléctrica a través de un circuito, si éste está cerrado y que, cuando no lo hace, está abierto.

Existen otros dispositivos llamados fusibles, que pueden ser de diferentes tipos y capacidades. ¿Qué es un fusible? Es un dispositivo de protección tanto para ti como para el circuito eléctrico.

Sabemos que la energía eléctrica se puede transformar en energía calorífica. Hagamos una analogía, cuando hace ejercicio, tu cuerpo está en movimiento y empiezas a sudar, como consecuencia de que está sobrecalentado. Algo similar sucede con los conductores cuando circula por ellos una corriente eléctrica (movimiento de electrones) y el circuito se sobrecalienta. Esto puede ser producto de un corto circuito, que es registrado por el fusible y ocasiona que se queme o funda el listón que está dentro de el, abriendo el circuito, es decir impidiendo el paso de corriente para protegerte a ti y a la instalación.

Recuerda que cada circuito presenta Características Particulares. Obsérvalas, compáralas y obtén conclusiones sobre los circuitos eléctricos.

Los circuitos eléctricos pueden estar conectados en serie, en paralelo y de manera mixta, que es una combinación de estos dos últimos.

Tipos de circuitos eléctricos

Circuito en serie

Circuito en paralelo

Circuito con un timbre en serie con dos ampolletas en paralelo

Circuito con una ampolleta en paralelo con dos en serie

Circuito con dos pilas en paralelo

DIAGRAMA DE BLOQUES

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO

DIAGRAMA PICTÓRICO

DEFINICIONES

La automatización de los procesos industriales exige la presencia de elementos que controlen si existe alguna variación y que lleven a cabo acciones correctoras sin intervención humana. El control, por tanto, presenta dos variantes:

la medición de magnitudes la regulación del proceso

Los términos básicos que se utilizan en automatización son:

Planta: el sistema que se quiere controlar Proceso: la secuencia de operaciones que se realizan en la planta Sistema: el conjunto de elementos que llevan a cabo el proceso Servomecanismo: cada uno de los elementos del sistema

Unos de los primeros ejemplos fue el regulador de Watt, en el que cualquier variación de la velocidad de rotación se traduce en variación de la fuerza centrífuga sobre las esferas. Un paralelogramo articulado sube o baja un anillo al que está unida una palanca, y ésta abre o cierra una válvula que controla del paso del vapor:

Los distintos servomecanismos que pueden estar presentes en un sistema se denominan, de forma genérica:

Sensor o captador: que realiza la medida de una magnitud (por ejemplo, las bolas en el regulador de Watt)

Transductor: para transformar la magnitud medida en otro tipo de magnitud (sería el cuadrilátero articulado)

Amplificador: usado en ocasiones para tener una señal más potente (la palanca) Actuador: ejerce las acciones correctivas (la válvula de vapor)

REPRESENTACIÓN SISTEMÁTICA

Para representar procesos controlados automáticamente se utilizan diagramas de bloques formados por rectángulos que indican la acción realizada y flechas que indican la interacción y cómo afectan unos procesos a otros. Cuando se realiza una comparación, aunque sea ficticia, se dibuja un círculo que indica la comparación realizada.

Con estas premisas, y continuando con el regulador de Watt, su representación podría ser la siguiente:

n0: velocidad deseada - señal de referencia

ε: error - diferencia de velocidades

Con esta representación aparece la primera clasificación de los sistemas de control en dos grandes grupos:

Sistemas de lazo abierto:

Ejemplos: lavadoras, semáforos, calefacción con termostato,...

Sistemas de lazo cerrado:

Ejemplos: Sistemas de llenado, posicionamiento de antenas parabólicas, control de potencia generada por

un alternador,...

Y respecto a las magnitudes que se controlan y regulan, tenemos:

Entrada de mando: cualquier acción externa que condiciona el funcionamiento de la planta (por ejemplo la puesta en marcha)

Señal de referencia: el valor que se quiere mantener Señal controlada o Salida: el valor real que se obtiene Señal actuante o Error: la diferencia entre la señal de referencia y la salida Perturbación: todo lo que influye sobre el proceso debido a una acción no deseada

DIAGRAMAS DE BLOQUES

Cada operación elemental que realiza un servomecanismo se representa mediante un rectángulo en cuyo interior se escribe el nombre o la descripción de ese proceso elemental. En la parte inferior se suele anotar la ecuación matemática que se ejecuta sobre la entrada para obtener la salida:

Las operaciones de comparación, diferencia o suma de señales se indican mediante un círculo que contiene una cruz en su interior, y en cada sector se indica la operación que se realiza con la señal que "entra" por esa parte:

Las flechas de un diagrama indican la secuencia de operaciones y también el flujo de las señales. Cuando se utiliza una señal para más de un bloque, se usa un punto de reparto o de bifurcación, algo así como un empalme eléctrico:

Cuando hay un valor de referencia que se quiere mantener, como en el ejemplo de la velocidad de rotación del regulador de Watt, entonces se trata de una señal ficticia, y la línea de ésta se dibuja discontinua:

Más adelante veremos algunas ecuaciones típicas de diferentes procesos, por ahora simplemente se representarán como una letra mayúscula (normalmente G1, G2,...) que indica la función y entre paréntesis el parámetro variable del proceso, que normalmente es el tiempo, aunque también puede ser algún otro parámetro, por lo que se indica como s. Como la entrada y salida de un proceso suelen ser también funciones del mismo parámetro, el esquema del proceso será:

Con todas las ecuaciones básicas de cada proceso un sistema se puede obtener la función matemática que da la salida en función de las entradas, y las leyes de simplificación básicas son las siguientes:

Asociación de bloques en serie

La función simplificada de varios procesos en serie viene dada por el producto de las funciones parciales:

Asociación de bloques en paralelo

En este caso, la función resultante es la suma (o diferencia, según el signo en el comparador) de las distintas funciones.

Sistemas de lazo cerrado

La función simplificada viene dada por la expresión de la derecha. El signo + o - depende del signo del comparador (hay que notar que el signo se invierte).

Otra serie de operaciones, necesarias para la simplificación de ecuaciones, se realizan mediante el desplazamiento o transposición de sumadores o de puntos de bifurcación respecto a un bloque en particular. Estas operaciones son las siguientes:

Transposición de un sumador hacia la derecha

Transposición de un sumador hacia la izquierda

Y las correspondientes a los puntos de bifurcación son muy similares a las de los sumadores:

Transposición de un punto de bifurcación hacia la izquierda

Transposición de un sumador hacia la derecha

De esta forma se puede obtener una función simplificada que no sólo sirve para tener una expresión matemática, si no que también nos puede indicar si el sistema es estable ante perturbaciones.

Lazos de control

Figura 1.8: Control prealimentado de temperatura

Si la variable de carga que más variaciones presenta fuese el caudal de alimentación, se podría haber prealimentado la misma al controlador en lugar de la temperatura, o eventualmente ambas.

Para comprender el funcionamiento de este tipo de controlador, partamos del diagrama de bloques más simple que podemos imaginar para un proceso cualquiera, con sus entradas, salidas y perturbaciones:

Figura 1.9: Diagrama de bloques simple de un proceso

La influencia de las perturbaciones puede ser descripta en forma matemática de muchas maneras, pero una de las más usuales es como una suma a la salida propiamente del proceso G1 de la influencia de la perturbación, descripta por G2.

Figura 1.10: Diagrama de bloques de la influencia de la perturbación.

De esta forma nuestro sistema realimentado de la Figura 1.3 quedaría más detallado en la siguiente Figura:

Figura 1.11: Explicitación de la influencia de las perturbaciones en el lazo de control.

Luego, la pregunta es -entre varios diseños posibles de un sistema prealimentado- cómo podemos diseñar un bloque H que tome la perturbación P e inyecte una señal complementaria que se sume a la del controlador justo antes de aplicarla al actuador (incluido en este gráfico en el proceso), tal como lo muestra la figura 1.12:

Figura 1.12: Diagrama de bloques del sistema de control prealimentado.

Para obtener la expresión del bloque H, observemos que

Como se busca anular el efecto de la perturbación P, el paréntesis del segundo término debe ser nulo:

En consecuencia, la expresión del prealimentador H es:

Como se podrá ver, hemos introducido un "álgebra de bloques" sin aclarar la naturaleza de estas expresiones G1, G2 y H, lo cual se verá en el próximo capítulo.

Habiendo encontrado entonces una expresión para el prealimentador H, el controlador de la Figura 1.8 queda expresado -reordenando la Figura 1.12- como lo muestra la siguiente imagen:

Figura 1.13: Diagrama de bloques englobando la descripción del proceso y del controlador.

Veamos ahora otras posibles configuraciones de control

1.4 Combinaciones de Lazos de control. Control en cascada o anidado.

En muchos casos el elemento final de control o actuador posee un comportamiento con fuertes alinealidades. Tal es el caso de la mayoría de las válvulas y en concreto de la válvula tipo mariposa que se podría utilizar en el caso de nuestro intercambiador de calor. Las válvulas son, de hecho, el elemento final de control en el 90% de los casos.

Una de las alinealidades más habituales es la saturación. Es lo que ocurre cuando la válvula está abierta al 100%: por más que el controlador continúe aumentando la señal de control que maneja la válvula, el caudal de vapor no aumentará. Esto ocurre, obviamente, dado que el controlador no tiene forma de detectar que la válvula está abierta por completo. Así, se dan situaciones en las que el control no es óptimo. ¿Cómo se pueden minimizar estos efectos?

Una eficiente forma de asegurarnos de que el caudal de vapor sigue lo mejor posible a la señal de comando, que es la salida del controlador, es utilizar un segundo lazo de control que tenga como entrada dicha variable manipulada y como salida o variable controlada precisamente el caudal de vapor, tal como se muestra en al Figura 1.14.

Figura 1.14: Control anidado de temperatura

El diagrama de flujo respectivo que representa el funcionamiento de este sistema de control se aprecia en la Fig. 1.15. Observando tanto esta figura como la anterior se puede comprender por qué se los denomina "anidados": uno queda definido dentro del otro, y comandado por el mismo. Puede existir más de un lazo anidado, y siempre recibirá ordenes del inmediato superior en orden jerárquico.

Figura 1.15: Diagrama de flujo del sistema de control anidado de temperatura

1.4 Combinaciones de Lazos de control. Control en cascada o anidado.

Veamos otros caso en el que un control anidado mejora sustancialmente la dinámica global de la planta. Sea un circuito de molienda SAG con clasificación por hidrociclón, como el de la Figura 1.16:

Figura 1.16: Diagrama de flujo del sistema de control anidado de temperatura

La forma de modificar el corte del tamaño de partículas realizado por el hidrociclón es por medio de la densidad de entrada al mismo, por lo que habitualmente la variable manipulada es el caudal de agua que se agrega al sumidero. Se puede así diseñar un lazo de control como el de la figura siguiente:

Figura 1.17: Lazo de control de tamaño de partículas.

A los fines de ir introduciéndonos en la nomenclatura de instrumentos que se verá en el capítulo siguiente, digamos que los mismos se designan mediante círculos, y que la primera letra dentro de los mismos designa la variable en cuestión -S de "Size" para este caso-; las letras posteriores designan la función del instrumento. Así, la T se refiere a "Trasmitter" y la IC a "Indicator - Controller". Volviendo a la naturaleza de este sistema, queda definido un lazo de control que, tal cual se esperaba, lee el tamaño de partículas y actúa sobre el caudal de agua al sumidero.

Ahora bien, cuando el controlador detecta, por ejemplo, un aumento en la granulometría de salida, ordena una apertura de la válvula para diluir la pulpa en el sumidero. De esta forma, para que el efecto esperado comience a percibirse, deberá esperarse como mínimo el tiempo que tarda en mezclarse la pulpa en el sumidero mas el tiempo de retardo en la cañería que va hasta el hidrociclón. Como se verá en el capítulo 3, estos tiempos son los que vuelven oscilatorio o aún inestable al sistema. Una forma de mejorar la performance es aplicar el concepto de control anidado, diseñando un control de la densidad de entrada al hidrociclón que es comandado por el controlador de granulometría, tal como lo muestra la Figura 1.18:

Figura 1.18: Lazo anidado de densidad comandado poruno exterior de granulometría.

Queda propuesto como ejercicio dibujar a mano alzada sobre la última Figura las líneas en círculo que indican como se cierran los lazos de control.

Analicemos ahora otras posibles configuraciones de control que se encontrarán en la industria.

La tarjeta controladora CNICE es un sistema o equipo electrónico que permite la comunicación entre el ordenador y el sistema o máquina a controlar. Interpreta y adapta las señales procedentes del ordenador para gobernar los elementos correspondientes del sistema bajo control y proporciona al ordenador las señales y valores producidos por los sensores del sistema para que puedan ser leídos por éste.

El diagrama de bloques es una herramienta a través de la cual podremos interpretar de una forma más clara el esquema eléctrico.

Como ya se verá mas adelante, se ha dividido el esquema electrónico de la controladora en tres partes para facilitar una mejor interpretación:

Fuente de alimentación Circuito de potencia Circuito de control

En el circuito de control se ha efectuado una subdivisión, quedando integrado por el circuito analógico y el circuito digital, para su mejor comprensión.

FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA

A la función simplificada del sistema se le da el nombre de función de transferencia del mismo:

El denominador que tenga esta función recibe el nombre de ecuación característica, y es la que indica si el sistema es estable o no, tanto en la puesta en marcha como ante posibles perturbaciones. Un sistema estable recupera su salida tras un cierto tiempo después de que se produzca la perturbación:

Para analizar la estabilidad de un sistema se analiza la ecuación característica, igualándola a cero para calcular sus raíces (valores de la variable en que la función es cero):

El sistema será estable si todas las raíces de su ecuación característica son negativas. Si alguna raíz es un número complejo, con parte real y parte imaginaria, la condición es que la parte real de la misma sea negativa. En ecuaciones de primer y segundo grado es sencillo obtener los ceros, pero para ecuaciones de tercer y superiores grados se utilizan métodos simplificados.

Uno de los métodos más sencillos es la factorización de la ecuación, descomponiéndola por el método de Ruffini, por ejemplo. Cuando ésto tampoco es factible, se utilizan otras formas:

El método de descarte sirve para determinar la inestabilidad del sistema, pues si a la ecuación característica le falta algún coeficiente, o los coeficientes tienen diferentes signos, al menos una de las raíces tiene parte real positiva.

Cuando ninguno de los coefeicientes del polinomio es nulo y todos tienen el mismo signo, se utiliza el método de la tabla de Routh, que es una derivación del método de Kramer de resolución de sistemas de ecuaciones, y que consiste en disponer dichos coeficientes en filas y columnas y operar con ellos:

bn bn-2 bn-4 ...

bn-1 bn-3 bn-5 ...

A1 A2 ... B1 ... C1

En la primera fila se escriben los coeficientes del término de mayor exponente y los que tengan la misma paridad. En la segunda fila se escriben los coeficientes de los exponentes con paridad contraria a la del primer término. En las filas siguientes, cada término se obtiene a partir de los dos que hay por encima a su derecha y los dos de la primera columna:

X = (bn-1·bj - bn·bj-1)/bn-1

Y así tendríamos:

A1 = (bn-1·bn-2 - bn·bn-3)/bn-1 A2 = (bn-1·bn-4 - bn·bn-5)/bn-1 ...

Para la siguiente fila tendríamos:

B1 = (A1·bn-3 - bn-1·A2)/A1 ...

Con este método se rellenan todas las filas hasta quedarnos con ceros, con los que no se puede operar. Saldrán tantas filas como el valor del máximo exponente, y en la última habrá un sólo término. El sistema será estable si todos los elementos de la primera columna tienen el mismo signo (las veces que cambie el signo entre los elementos indican el número de raíces positivas que tiene la ecuación).

Por ejemplo, con la ecuación característica siguiente:

s6 + 4 s5 + 3 s4 + 2 s3 + s2 + 4 s + 4

El arreglo de Routh es:

1 3 1 44 2 4

5/2 0 42 -12/53 4

-76/154

La primera columna no tiene todos sus coeficientes con signos iguales; por lo tanto, el polinomio tiene raíces positivas, más exactamente, tiene dos.

SENSORES

El término de sensor es muy genérico, y suele agrupar varios elementos. Un elemento que recibe la señal es un captador, y un transductor es un elemento que transforma una magnitud en otra. Pero es corriente que los tres términos se usen indistintamente.

Un sensor tiene tres parámetros fundamentales, el rango (valores entre los que puede medir), la resolución (la variación mínima que puede detectar) y la sensibilidad (lo que varía la magnitud de salida en relación con la variación de la magnitud medida).

Los sensores se clasifican atendiendo a varios criterios, como:

Por la señal que emiten, tenemos analógicos y digitales (o discretos) Por la influencia que tienen sobre el proceso, tenemos sensores pasivos cuando no

influyen, o activos cuando absorben energía Por los parámetros que pueden variar en el sensor pueden ser mecánicos, eléctricos,

electromagnéticos, ópticos.

Pero el análisis más usual es por el tipo de magnitud que pueden medir.

SENSORES DE POSICIÓN Y DE PROXIMDAD

Informan de la presencia de un objeto en el lugar que controlan. En este tipo se incluyen:

Finales de carrera

Están constituidos por un conmutador accionado por una palanca, y cierran o abren un circuito cuando un objeto mueve la palanca.

Este detector sólo se puede usar para determinar cuando un objeto ha llegado a la posición del sensor, sin indicar la distancia a la que está.

Detectores inductivos

Tiene un imán permanente que crea un campo magnético fijo. Al acercar un objeto metálico, éste modifica el campo magnético, y esta variación es captada por una bobina, en la que se induce una corriente

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Tiene un imán permanente que crea un campo magnético fijo. Al acercar un objeto metálico, éste modifica el campo magnético, y esta variación es captada por una bobina, en la que se induce una corriente.

En este caso, el sensor sí podría determinar la distancia a la que está el objeto, pero sólo se usan para detectar la presencia.

Sensores capacitivos

Cuando el objeto a detectar no influye en el campo magnético, se hace uso de otro principio de funcionamiento. En este caso están formados por un condensador, y la detección se basa en la variación de la superficie enfrentada de las armaduras (como en los sintonizadores de radio), la separación entre éstas (como en algunos teclados de claculadoras) o incluso cambiando las propiedades del aislante dieléctrico (como en los detectores de humo o de humedad).

Al acercar un objeto metálico al condensador, se varía el campo eléctrico en el mismo, y ésto puede ser detectado.

Sensores potenciométricos

Constan de un potenciómetro que varía su resistencia en función de la posición de su cursor, movido por el giro de una rueda dentada o de una palanca.

Estos sensores son los que se usan cuando se busca conocer la posición exacta de un objeto, como en el posicionamiento de antenas orientables, o para medir el nivel en los depósitos de combustible de los coches.

Sensores ópticos

Su funcionamiento se basa en detectar la reflexión de un haz luminoso que normalmente es infrarojo para evitar inferencias de otras luces. Cuando el sensor emite sonidos el sistema se denomina sonar, y si la radiación es de alta energía (o frecuencia), el sistema se denomina radar.

ç

Con estos sistemas se puede tener una señal cuando un objeto interrumpe el rayo, pero también se puede determinar la distancia a la que está el objeto midiendo el tiempo que ha tardado la relfexión.

Con estos sistemas se puede tener una señal cuando un objeto interrumpe el rayo, pero también se puede determinar la distancia a la que está el objeto midiendo el tiempo que ha tardado la relfexión.

c= 340 m/s para el sonido

c= 300.000 km/s para la luz

Un ejemplo típico de los sensores por láser o por infrarojos son los sensores de aparcamiento de los modernos automóviles.

SENSORES DE VELOCIDAD

Son también conocidos como sensores tacométricos, y pueden ser de tres tipos:

Sensores inductivos

Idénticos a los vistos anteriormente, unidos a un contador, que analiza cuántas señales se producen en un segundo.

Sensores ópticos

De forma similar a los sensores de posición, un emisor y un receptor están separados por una rueda perforada que puede girar. Se cuenta cada impulso de luz que recibe el receptor durante un segundo, obteniendo la velocidad.

Tacogeneradores

Son pequeñas dinamos que obtienen un voltaje en función de la velocidad de giro. Este sistema es ampliamente usado en sistemas como los anemómetros, para medir la velocidad del viento.

SENSORES DE TEMPERATURA

Para esta misión, además de los conocidos termómetros de mercurio, hay otros tres tipos básicos:

Termistor NTC

Es una resistencia que disminuye su valor óhmico al aumentar la temperatura según una función exponencial.

Termostato bimetálico

Son dos pacas metálicas unidas que tienen diferentes coeficientes de dilatación térmica. Cuando se calientan, una lámina se dilata más que la otra, produciendo el arqueamiento de ambas. Con esta deformación se puede abrir o cerrar un circuito eléctrico.

Con un tornillo que regula la fuerza que debe ejercer el bimetal para combarse se puede regular la temperatura a la que se produce la desconexión. Es el clásico control de la calefacción o de las planchas eléctricas.

Termopar

En este caso se sueldan los extremos de dos metales diferentes, y esta unión actúa como sonda. El funcionamiento del termopar se basa en que la movilidad de los electrones es distinta en cada metal. Si los extremos opuestos también están unidos y a una temperatura conocida, las distintas movilidades producen un voltaje tanto mayor cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas entre los extremos.

SENSORES DE PRESIÓN

Tubo en U

El líquido que hay en la rama con mayor altura compensa, con su peso, la mayor presión en la rama opuesta. Por su naturaleza, se puede emplear también en la comparación de dos presiones.

Etubo en U es un aparato sencillo, pero es la base de sensores más sofisticados, como pueden ser los tubos Pitot, que se usan para medir la velocidad en los aviones.

Tubo Pitot

Tubo Bourdon y Cápsula anaeroide

Son sensores que tienen dos cámaras, una de ellas conectada a la presión a medir y la otra a una presión conocida, normalmente la atmosférica. Con la diferencia de presiones se produce un desplazamiento que se puede medir con palancas, engranajes, sensores de desplazamiento,

Tubo Bourdon

Las capsulas anaeroides, a veces también llamadas manómetros de membrana, tienen en su interior una presión conocida, o pueden estar conectadas a una presión de referencia, por lo que pueden utilizarse como comparadores. En este caso se denominan fuelles.

AMPLIFICADORES

La señal que emite un sensor en ocasiones es muy pequeña y necesita ser amplificada. Para este objetivo, los distintos métodos existentes se clasifican por la naturaleza de la magnitud multiplicada, y tenemos los siguientes casos básicos:

AMPLIFICADORES MECÁNICOS

Los elementos que aumentan o disminuyen la amplitud de un movimiento son siempre sistemas de transmisión formados por palancas o por engranajes:

En el caso de las palancas, el desplazamiento en cada uno de los extremos de la misma es proporcional al brazo de palanca correspondiente.

Y además existen tres tipos de palancas:

Palanca de clase 1 Palanca de clase 2

Palanca de clase 3

Las palancas también se pueden usar como comparadores, analizando el desplazamiento de un punto de la misma respecto de la línea de equilibrio.

De forma similar a las palancas se utilizan los engranajes y los trenes de engranajes:

AMPLIFICADORES NEUMÁTICOS

El curso pasado trabajamos con unas válvulas cuyo accionamiento se produce por presión. Éste es uno de los casos más típicos, pero también existen válvulas que se abren al dar presión a un pequeño cilindro. Tal es el caso de los servofrenos de los automóviles.

AMPLIFICADORES ELECTRÓNICOS

Una gran parte de los sensores están dotados de transductores que transforman la magnitud controlada en electricidad. Cuando se requiere amplificar una corriente eléctrica tenemos dos métodos:

Transistores

Que pueden ser los conocidos transistores bipolares o los transistores de efecto de campo (FET), que estrangulan la corriente principal dependiendo del voltaje aplicado en la patilla Puerta.

Amplificador operacional

Es un elemento que da un voltaje de salida proporcional a la diferencia de voltajes en las entradas:

Con este elemento también se puede realizar una diferencia de voltajes en una comparación, aunque ésto no es corriente porque la constante k es inmensa, y excepto para diferencias muy pequeñas, el voltaje de salida en realidad se convierte en el voltaje máximo o mínimo con que se alimenta el elemento, estando en corte o en saturación.

Sin embargo, si se conectan el circuito como en el siguiente dibujo, el amplificador operacional (abreviado como A.O., o en Opamp en inglés)realiza una amplificación del voltaje de entrada. Pulsa aquí para ver la demostración.

El signo negativo indica que se produce una inversión de voltaje, y en la salida se obtiene VE amplificado pero con signo negativo. Para salvar esta situación, se colocan dos A.O en cascada:

ACTUADORES

En los servosistemas se utilizan únicamente dos tipos de elementos actuadores, algunos de los cuales ya conocemos bien:

Actuadores neumáticos

Los principales son los cilindros, de simple o doble efecto.

Pero existe otro elemento denominado orificio obturable, que es un tapón unido a una palanca o a un fuelle, que actúa liberando presión de una línea, para ejercer la regulación de un cilindro o un motor neumático.

Actuadores eléctricos

Que son motores eléctricos, normalmente de corriente continua.

A veces se utilizan los llamados motores paso a paso, cuyo eje está dotado con un imán permanente formando estrías, y en la periferia hay cuatro electroimanes con los cuales se controla la posición del rotor. En los dibujos inferiores se puede ver cómo gira el rótor al activar cada uno de los electroimanes:

Éste es el actuador por excelencia de aplicaciones como las impresoras, la fabricación computerizada, o como las máquinas tragaperras.

Editor de diagramas de bloques funcionales

A continuación, se muestra un Módulo escrito en lenguaje FBD en el correspondiente editor de TwinCAT PLC Control:

Editor de diagramas de bloques funcionales

El editor de diagramas de bloques funcionales es un editor para gráficos que trabaja con una lista de redes, cada una de las cuales contiene una estructura que representa una expresión lógica o aritmética, la llamada a un Bloque de Funciones, una funcion, una programa un salto o una instrucción Return. Los principales comandos se encuentran en el menú de contexto (botón derecho del ratón).

Posiciones del cursor en el lenguaje FBD

Cada texto constituye una posible posición del cursor. El texto seleccionado aparece sobre fondo azul y se puede modificar a continuación. Por lo demás, la posición actual del cursor está marcada por un rectángulo de puntos. A continuación, se enumeran todas las posiciones posibles del cursor junto con un ejemplo:

1) Cada campo de texto (las posiciones del cursor posibles se incluyen en un recuadro de color negro):

2) Cada entrada:

3) Cada operador, Función o Módulo de Funciones:

4) Salidas, si van seguidas de una asignación o un salto:

5) Cruce de líneas sobre una asignación, un salto o una instrucción Return:

6) Detrás del último objeto situado a la derecha de cada red ("última posición del cursor"; ésta es también la posición del cursor cuando se ha seleccionado una red):

7) Cruce de líneas inmediatamente anterior a una asignación:

Posicionar el cursor

El cursor se puede colocar en una determinada posición haciendo clic con el ratón o con la ayuda del teclado. Con las flechas de dirección se salta a la posición del cursor más cercana en la dirección elegida, de forma que es posible desplazarse a todas las posiciones del cursor, incluyendo los campos de texto. Una vez seleccionada la última posición del cursor, las teclas de dirección <Arriba> o <Abajo> permiten seleccionar la última posición del cursor de la red anterior o posterior. Una red vacía contiene solamente tres signos de interrogación "???". Al hacer clic detrás de los mismos, se selecciona la última posición del cursor.

'Insertar' 'Asignación'. Acceso directo: <Ctrl>+<A>

Este comando permite insertar una asignación. La inserción ser realizará, según elija, inmediatamente antes de la entrada seleccionada (posición del cursor 2), directamente después de la salida seleccionada (posición del cursor 4), inmediatamente antes del cruce de líneas seleccionado (posición del cursor 5) o al final de la red (posición del cursor 6). A continuación, puede seleccionarse el texto introducido "???" para una asignación insertada a fin de sustituirlo por la variable a la que se asignará. Para ello, también puede utilizar la ayuda de entrada. Si desea añadir una asignación adicional a una asignación existente, utilice el comando 'Insertar' 'Salida'.

'Insertar' 'Salto'. Acceso directo: <Ctrl>+<L>

Este comando permite insertar un salto. La inserción se realiza, según elija, inmediatamente antes de la entrada seleccionada (posición del cursor 2), directamente después de la salida seleccionada (posición del cursor 4), inmediatamente antes del cruce de líneas seleccionado (posición del cursor 5) o al final de la red (posición del cursor 6). A continuación, puede seleccionarse el texto

introducido "???" para un salto insertado a fin de sustituirlo por la marca de salto a la que se saltará.

'Insertar' 'Return'. Acceso directo: <Ctrl>+<R>

Este comando permite insertar una instrucción RETURN. La inserción se realiza, según elija, inmediatamente antes de la entrada seleccionada (posición del cursor 2), directamente después de la salida seleccionada (posición del cursor 4), inmediatamente antes del cruce de líneas seleccionado (posición del cursor 5) o al final de la red (posición del cursor 6).

'Insertar' 'Módulo' Acceso directo: <Ctrl>+<B>

Con esta comando se pueden insertar operadores, funciones, bloques de función y programas. Primero siempre se inserta un operador "AND". Este operador se puede transformar seleccionando y sobrescribiendo el texto de tipo ("AND") en cada operador, en cada función, en cada bloque de función y en cada programa. Con la ayuda para entradas (<F2>) puede seleccionar el módulo deseado. Si el nuevo módulo recién seleccionado tiene otra cantidad mínima de entradas, éstas se agregan. Si el nuevo módulo tuviese una cantidad máxima de entradas muy pequeña, las últimas entradas se borrarán.

En las funciones y bloques de funciones se muestran los nombres formales de las entradas y salidas.

En los bloques de funciones existe un campo de instancia editable mediante la casilla. Si modificando el texto de tipo se llama otro bloque de funciones que no es conocido, se muestra una casilla de operador con dos entradas y el tipo indicado. Si se selecciona el campo de instancia, se puede llamar mediante <F2> la ayuda para entradas con las categorías para la selección de variables.

El nuevo módulo se inserta dependiendo de la posición seleccionada (ver posiciones del cursor):

Si se ha seleccionado una entrada (posición del cursor 2), el módolo se inserta antes de la entrada. La primera entrada de este módolo se conecta con el ramo situado a la izquierda de la entrada seleccionada. La salida del nuevo módolo se conecta con la entrada seleccionada.

Si se ha seleccionado una salida (posición del cursor 4), el módolo se inserta después de la salida. La primera entrada del módolo se conecta con la salida seleccionada. La salida del nuevo módolo se conecta con el ramo al cual estaba conectada la salida seleccionada.

Si se selecciona un módulo, una función o un bloque de funciones (posición de cursor 3), el elemento antiguo se sustituye con el nuevo módulo. Dentro de lo posible, los ramos se conectan como antes de la sustitución. Si el elemento antiguo tenía más entradas que el nuevo, las ramas que no se pueden vincular se borran. Lo mismo se aplica para las salidas.

Si se selecciona un salto o un Return, el módulo se inserta antes de este salto o Return. La primera entrada del módulo se conecta con el ramo situado a la izquierda del elemento seleccionado. La salida del módulo se conecta con el ramo situado a la derecha del elemento seleccionado.

Si se ha seleccionado la última posición del cursor de una red (posición del cursor 6), el módulo se inserta después del último elemento. La primera entrada del módulo se conecta con el ramo situado a la izquierda de la posición seleccionada.

Todas las entradas del módulo que no se han podido conectar reciben el texto "???". Este texto se tiene que activar con el ratón y modificar a la constante o variable deseada.Si a la derecha de un módulo insertado hay un ramo, se asigna a la primera salida del módulo. Por lo demás, las salidas quedan vacías.

'Insertar' 'Entrada'. Acceso directo: <Ctrl>+<U>

Este comando permite inserta una entrada de operador. El número de entradas es variable en muchos operadores (por ejemplo, ADD puede tener 2 o más entradas). Para aumentar una entrada en este tipo de operador, es preciso seleccionar la entrada delante de la que va a insertarse otra (posición del cursor 1) o el propio operador (posición del cursor 3) si se va insertar una entrada inferior. La entrada insertada contiene el texto "???", que será necesario activar con el ratón y sustituir por la constante o variable que desee. Para ello, también puede utilizar la ayuda de entrada.

'Insertar' 'Salida'

Este comando permite añadir una asignación adicional a una asignación existente. Esta función sirve para crear los llamados peines de asignación, es decir, la asignación a distintas variables del valor que se encuentra actualmente en la línea. Si el cruce de líneas está situado encima de una asignación (posición del cursor 5) o está seleccionada la salida inmediatamente anterior (posición del cursor 4), se añade otra asignación después de las existentes. Si el cruce de líneas se encuentra directamente delante de una asignación (posición del cursor 4), se inserta otra asignación delante de ésta. La salida insertada contiene el texto "???", que será necesario activar haciendo clic sobre el mismo y reemplazar por la variable que desee. Para ello, también puede utilizar la ayuda de entrada.

'Herramientas' 'Negación'. Acceso directo: <Ctrl>+<N>

Con este comando puede negar entradas, salidas, saltos o instrucciones RETURN. El símbolo de negación se representa mediante un pequeño círculo en una conexión. Si se ha seleccionado una entrada (posición del cursor 2), ésta se niega. Si se ha seleccionado una salida (posición del cursor 4), también se negará. En caso de que se haya marcado un salto o un Return, se niega la entrada de este salto o Return. Una negación se puede borrar con una nueva negación.

'Herramientas' 'Set/Reset' Símbolo:

Con este comando, las salidas se pueden definir como Set o Reset. Una compuerta con salida Set se representa mediante [S] y una compuerta con salida Reset, mediante [R].

Salidas Set/Reset en lenguaje FBD

Una salida Set se ajusta con el valor TRUE cuando la correspondiente compuerta suministra TRUE. La salida conserva este valor aunque la compuerta vuelva a tener el valor FALSE. Una salida Reset se ajusta con el valor FALSE cuando la correspondiente compuerta suministra TRUE. La salida conserva su valor aunque la compuerta vuelva a tener el valor FALSE. En caso de ejecutar comando de forma repetida, la salida conmuta entre salida Set, Reset y normal.

'Herramientas' 'Zoom'. Acceso directo: <Alt>+<Intro>

Con este comando se carga un módulo seleccionado en el editor (posición del cursor 3). Si se trata de un Módulo de una librería, se activa el administrador de librerías para visualizarlo.

'Herramientas' 'Abrir instancia'

Este comando corresponde al comando 'Proyecto' 'Abrir instancia'.

Cortar, Copiar, Pegar y Borrar en FBD

Los comandos para 'Cortar', 'Copiar', 'Pegar' o 'Borrar' se encuentran en el menú 'Edición'. Si se ha seleccionado un cruce de líneas (posición del cursor 5), las asignaciones, los saltos o las instrucciones RETURN situados debajo del mismo se cortan, se borran o se copian. Si se ha seleccionado un operador, una Función o un Módulo de Funciones (posición del cursor 3), se cortan, borran o copian el propio objeto seleccionado, así como todos los ramos existentes en las entradas, con excepción del primer ramo. De lo contrario, se corta, borra o copia todo el ramo situado delante de la posición del cursor. Una vez realizadas las acciones Copiar o Cortar, la parte borrada o copiada se sitúa en el Portapapeles y podrá insertarse un número ilimitado de veces. Para ello, primer ha de seleccionarse la posición de inserción. Las entradas y salidas son posiciones de inserción válidas. Si se ha cargado un operador, una Función o un Módulo de Funciones en el Portapapeles (recuerde: en este caso, todos los ramos existentes, con excepción del primero, también se sitúan en el Portapapeles), la primera entrada se conecta con el ramo anterior a la posición de inserción. De lo contrario, todo el ramo situado delante de la posición de inserción se

sustituye por el contenido del Portapapeles. En todo caso, el último elemento insertado se conecta con el ramo situado a la derecha de la posición de inserción.

Descripción del diagrama de bloques

Recordemos que el diagrama de bloques es una simple representación gráfica del esquema eléctrico.

En esta representación de bloques no entraría la fuente de alimentación, ya que partimos de la idea de que el circuito se encuentra ya alimentado y no es significativo a la hora de representar la estructura de nuestra controladora.

Funcionamiento de ejemplo

Supongamos que en la entradas digitales tenemos un sensor o un pulsador. Cuando éste es activado envía un impulso eléctrico ya sea un 1 o un 0 lógico (5v o 0v), este dato llegará al buffer triestado 74LS244 que almacenará los 8 bits del input con el fin de enviar primero los 4 bits de menor peso y luego los otros 4 bits de mayor peso,adaptando la información a las 4 líneas de entrada de datos del puerto LPT de la impresora.

A través del puerto LPT introducimos la información en el ordenador, con lo cual éste ya puede comenzar a ejecutar el programa (Ej.: INPORT). En todo este proceso, cada dato es guardado en un registro del puerto paralelo.

Una vez que ha finalizado el procesado de la información el resultado lo lanzaremos otra vez por el puerto paralelo, exactamente por la salida de datos (D0....D7) que finalmente pasará por las distintas partes del circuito de la controladora como, por ejemplo, el LATCH 74LS373 que mantendrá el dato hasta que sea habilitado mediante una línea de control asignada por el ordenador mediante una dirección hexadecimal.

Por último, la orden pasará a los relés, los cuales activarán el actuador que tengamos conectado a la salida, encendiendo, a la vez, los led que correspondan.

En el caso de utilizar las entradas analógicas, conectaremos un componente analógico de entrada, por ejemplo una LDR, que es una resistencia sensible a la luz, que nos dará más o menos voltaje dependiendo de la luz que incida en ella (en este caso utilizando las entradas analógicas para una señal analógica el objetivo final es que en las salidas tengamos una señal digital). Este voltaje será transformado por el conversor analógico/digital ADC0804 en una señal digital de 8 bits, esta señal digital recorrerá el mismo camino explicado en el ejemplo anterior.

La única diferencia a la hora de utilizar entradas digitales o analógicas es que cuando introducimos señales analógicas estas deben ser transformadas en el conversor analógico/digital ADC804 para luego seguir el mismo camino que la señal digital.

En todo este proceso las líneas de control serán las encargadas de habilitar las distintas partes del circuito.