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Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
Tema 67
Elementos comparadores en los circuitos de control
José Sabio GarcíaTrabajo conjunto para las oposiciones de TECNOLOGÍA
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Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
ÍNDICE
0. Idea general1. Conceptos previos2. Las Sincromáquinas3. Tipos de comparadores4. Generadores tacométricos5. El pontenciómetro como elemento de control. Tipos6. Resumen de conceptos
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0.Introducción
Los procesos industriales exigen el control de la
fabricación de los diversos productos obtenidos. Los
procesos son muy variados y abarcan muchos tipos de
productos: la fabricación de los productos derivados del
petróleo, de los productos derivados del petróleo, de los
productos alimenticios, la industria cerámica, las centrales
generadoras de energía, la siderurgia, los tratamientos
térmicos, la industria papelera, la industria textil, etc.
En todos estos procesos es absolutamente necesario
controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales
como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, la
velocidad, etc.
En definitiva, el objetivo de este capítulo es estudiar
con profundidad los diferentes y más comunes elementos
de comparación como son los potenciómetros (resistencias
variables) sabiendo la diferencia de potencial en sus bornes
podremos saber lo que ha variado la resistencia y en
consecuencia si es angular o multivuelta podremos saber la
variación de la magnitud comparada con el valor de
referencia.
Las sincromáquinas , el elemento comparador
destinado a gobernar la posición angular de un eje en
función de la posición angular de otro eje, llamado de
mando o referencia.
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Mediante las de dinamos tacométricas podremos saber
la velocidad de giro de un eje sabiendo el valor de la
diferencia de potencial en sus bornes; estamos hablando.
SE estudiarán los diferentes comparadores para
pequeños desplazamientos como son silverstad (puente de
wheatstone), los capacitivos , los electromagnéticos, y los
fotoeléctricos.
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1.Conceptos previos
- Concepto de ELEMENTO
Un término general que se usa para refererirse a uno
de entre cierto número de unidades, grupos, objetos, etc.
Cualquier dispositivo eléctrico (como bobina, resistencia,
generador, condensador, línea o tubo de electrones) con
terminales con los cuales pueden conectarse directamente
a otros dispositivos eléctricos; por ejemplo un elemento
activo presenta ganancia (ej: transistor) y un elemento
pasivo no tiene ganancia ( ej: resistencia, bobina,
condensador).
- Concepto de COMPARADOR
1. Circuito que compara dos señales y suministra una
indicación de su concordancia o desacuerdo
2. Dispositivo que compara la igualdad de dos
entradas. Un tipo de ellos compara tensiones y da
una de estas salida ( <, = y <). Un tercer tipo
compara fase y frecuencia y da una tensión variable
dependiente de la relación de las entradas
3. Circuito que compara dos señales diferentes y
proporciona una señal <<diferencia>>.
4. Circuito que evalúa un parámetro de salida para
determinar si está por debajo de algunos límites
predeterminados
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Los elementos comparadores en los circuitos de
control son los dispositivos encargados de comparar el
valor de referencia con el valor medio de la variable de
salida a través del transductor de realimentación. El
resultado de esta comparación será el error de
funcionamiento o la desviación del valor de la salida del
circuito respecto al valor que estaba previsto.
Para comprender mejor lo anteriormente explicado,
hemos de empezar por conocer las partes básicas de las
que consta un circuito de control y para ello no hay nada
mejor que ilustrarlo con un esquema:
Figura 1
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VALOR DE REFERENCIA(Deseado)
ERROR
CONTROLADOR
VALOR DE SALIDA
VALOR DE ENTRADA
PROCESO
TRANSDUCTOR DE
REALIMENTACIÓN
CORRECTOR DE ERROR
ELEMENTO ACTUADOR
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Donde será el elemento comparador también
llamado corrector de error, pudiéndose ser una
potenciómetro, una dinamo tacométrica, etc.
Los elementos comparadores toman sentido cuando se
incluyen en los sistemas de control de lazo cerrado.
En la Figura 2 se puede observar el diagrama de
bloques de un sistema de control de lazo cerrado.
Observando el diagrama se puede comprobar que la acción
de control depende tanto de la entrada de referencia(valor
de la entrada) como del valor instantáneo de la variable de
salida (valor de salida). Es decir, un sistema de control en
lazo cerrado implica el hacer uso del efecto de
realimentación de la variable de salida a la entrada del
sistema, con la finalidad de reducir el error que pudiera
aparecer en la variable de salida por efecto de las
perturbaciones de salida.
En la Figura 1 el CONTROLADOR, está compuesto por
dos bloques un es el comparador o detector de error y
del corrector de error y se encarga de comparar la
variable controlada (presión, nivel, temperatura, velocidad,
etc) con un valor deseado o previsto y ejerce una acción
correctiva de acuerdo con la desviación.
El primero es el elemento o dispositivo encargado de
comparar el valor de referencia con el valor medido de la
variable de salida a través del transductor de
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realimentación. El resultado de dicha comparación
constituye el error de funcionamiento o desviación de la
salida con respecto al valor previsto o deseado.
El segundo es el dispositivo encargado de amplificar y
modificar adecuadamente la señal de error que está
proporcionando el detector de error, con la finalidad de que
el sistema presente mejores características en cuanto a
precisión, estabilidad, tiempo de respuesta y oscilaciones,
en definitiva, que se convierta en un sistema solvente y
eficaz.
De todo el bloque o diagrama de un sistema de
control, y concretamente del bloque controlador en este
capítulo nos centraremos en el elemento comparador o
detector de error.
Para realizar la comparación se utilizan diversos
procedimientos tecnológicos según sea el tipo de señales a
comparar.
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2.Las sincromáquinas
- Concepto de Sincronizador
En términos eléctricos un sincronizador es un
transformador con coeficiente de acoplamiento que varía
cuando un eje mecánico hace girar el devanado de un
transformador. El devanado (armadura) rotatorio suele ser
una bobina distribuida monofásica, y los devanados
exteriores que rodean al estator suelen ser del tipo de
construcción de bobina de tres fases espaciales, con ángulo
físico de 120º entre el centro eléctrico de cada bobina. Sin
embargo, los tres devanados están en fase eléctricamente.
Las bobinas de tres fase espaciales del estator están
conectadas en Y internamente y sólo las tres puntas de
cada uno de los extremos de una rama de la Y apuntan
hacia fuera. Las dos puntas del rotor monofásico son
llevadas hacia fuera por medio de anillos colectores.
La excepción al rotor monofásico ocurre en el caso del
sincro diferencial de control. Este sincro tiene un rotor
trifásico y un estator también trifásico. Se utiliza para
compensar, ajustar a cero, sumar o restar eléctricamente
un ángulo de la representación en forma de sincro sincro
trifásico del ángulo de un eje mecánico. Los devanados de
tres fases espaciales tienen señales eléctricas que están en
fase en el tiempo. En un sincronizador no se utiliza CA
trifásica.
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Los sincronizadores suelen ser excitados por CA de 60
o 400 Hz. Además el sincronizador contiene bobinas que
giran en un campo magnético, se pueden sumar voltajes
considerables a los voltajes normales de transformador del
sincro, debido al efecto generador de una armadura sincro
que gira con rapidez. Sin embargo, se supone que el sincro
actúa como un transformador variable, no como generador.
Hemos de limitar la velocidad opera que no existan
problemas de estabilidad.
La exactitud de un sistema comparador de control que
utiliza sensores de sincronizador se puede mejorar
empleándose un sistema de control de sincronizador de dos
velocidades.
- Función comparadora de las sincromáquinas
Son el tipo de comparador más utilizado en los
circuitos de control cuya finalidad es la de gobernar la
posición angular de un eje en función de la posición angular
de otro eje , llamado de mando a referencia.
Son muy parecidos a los generadores o motores
eléctricos, ya que de hecho se componen de un estator y
rotor.
Existen muchos tipos de sincronizadores (también
llamados sincros), y todos se usan en sistemas que
controlan el ángulo de un eje. Un sincronizador es un
dispositivo electrómecanico que en general proporciona
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una salida eléctrica en respuesta a una entrada mecánica
del ángulo del eje. Los sincros de fuerza son la excepción,
dónde entradas eléctricas hacen que el eje de salida asuma
un ángulo del eje comandado.
- Tipos de Sincromáquinas
Existen diversos tipos, que pueden combinarse de
varias maneras según el cometido específico que se desee.
SINCROTRANSMISOR
Transmite eléctricamente la posición angular del eje
de mando a un segundo elemento: el Sincroreceptor o el
Sincrotransformador.
El Sincroreceptor transforma las señales eléctricas en
una salida mecánica, moviendo el eje controlado de
forma que adopte una posición angular idéntica a la del eje
de mando y desplazando al propio tiempo una aguja
indicadora sobre su esfera.
Cuando la potencia del sincrotransmisor es insuficiente
para desplazar el eje controlado, se sustituye el
sincroreceptor por un sincrotransformador.
Observe el esquema eléctrico de un sincrotransmisor:
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Figura 3
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El Sincrotransformador transforma las señales
eléctricas de mando en una tensión alterna o señal de
error, variable en magnitud y signo.
SINCRODIFERENCIAL
Se puede de emplear como elemento transmisor o
como elemento receptor.
Como transmisor: da una salida eléctrica que
representa la suma o la diferencia de dos
señales de entrada
Como receptor sucede lo mismo, exceptuando
que la señal de salida es mecánica.
El rotor constituido por chapas magnéticas, lleva un
arrollamiento único (primario del transmisor) cuyos
extremos están conectados a un par de anillos rozantes. El
estator va provisto de tres arrollamientos secundarios S1, S2,
S3 uniformemente distribuidos alrededor de la periferia de
forma que sus ejes geométricos forman ángulos de 120º
entre sí. Estos tres arrolladores están cortocircuitados por
uno de sus extremos.
Al aplicar un CA en los bornes del primario, circulará
por éste una corriente, que generará un campo magnético
el cual inducirá tensiones en los secundarios S1, S2, S3.
Cómo los flujos concatenados por los secundarios no
son iguales, y además dependen de la posición angular del
rotor las tensiones inducidas tampoco serán iguales.
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En la figura anterior la posición del rotor la tensión
inducida en el secundario S2 es máxima ya que por este
secundario circula la totalidad del flujo magnético. Las
tensiones en el primer y tercer secundario son iguales y es
igual
VS1=VS3= VS2 / 2
donde VSi= tensión inducida en el secundario i.
SINCRORRECEPTOR
Es idéntico a una sincrotransmisor excepto que va
provisto de un volante destinado a amortiguar las
variaciones bruscas o las oscilaciones en la marcha del
rotor.
A continuación se ha tabulado los distintos tipos de
sincronizadores, respecto del uso ( acción que realiza)
teniendo en cuenta su entrada y valor que se obtiene a la
salida.
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Tipos de sincronizadores comunes
Nombre Uso Entrada SalidaSincrotransmisor de control (abreviado CX)Al rotor se aplica una excitación de 60 a 400 Hz de CA, ER, V. Relación de la transformación n=máximo voltaje de salida rms del estator dividido entre ER
Transforma el ángulo del eje físico en tres voltajes de sincroestator cuya magnitud varía con el ángulo del eje. Se usa como dispositivo de mando de entrada, para aplicar la señal de entrada de referencia
Ángulo del eje del rotor (el rotor monofásico es excitado por Eg, pero Eg es constante, no variable)
Tres voltajes del estator en fase en el tiempo que se miden entre las terminales del estator S1 S2 y S3. Estos voltajes no se miden ni amplifican, sino que se aplican directamente al estator del sincroreceptor de fuerza
Sincroreceptor de fuerza.(abreviado TR). Es básicamente idéntico a un CT. Los TR y TX podrían ser dispositivos físicamente idénticos, ya que un TX puede accionar varios TR. Los sincros de fuerza suelen ser mucho menos exactos que los de control
Se utiliza para indicar la posición del eje TX y para accionar apuntadores o carátulas. Cuando se hace girar el eje del TX, el eje del TR acoplado gira de la misma medida. Los devanados de los motores del TX y TR son excitados, en paralelo, por la misma fuente de referencia comúnmente de 60 o 400 Hz, a 26 o 115 V de CA
Tres voltajes del estator del TX. El estator del TX se conecta directamente al estator del TR, S1, a S1, S2 a S2 y S3 a S3. El rotor del TR es excitado por el voltaje de referencia ER, pero éste es constante y no una variable de entrada
Ángulo del eje del rotor del sincrorreceptor de fuerza TR. Idealmente, del TR = del TX. En realidad, = - f(t) donde f(t) es función del momento de torsión generado por el TR. Si el momento de torsión generado es pequeño como en el caso del accionamiento de apuntadores donde sólo ocurren momentos de torsión de marcación, entonces =
Sincrotransmisor diferencial de fuerza (abreviado TDX). Es básicamente idéntico a CDX. El TDX tiene una entrada del estator trifásico y una salida del rotor trifásico
Suma o resta el ángulo del eje o compensa respecto a la representación sincrotrifásica en voltaje del ángulo del eje
Ángulo del eje mecánico del TDX; tres voltajes del sincroestator del TX, aplicados al estator trifásico del TDX
Tres voltajes del rotor del CDX procedentes del rotor trifásico del CDX. Tres voltajes de salida del rotor del CDX. Se aplican como entradas al estator de tres fases espaciales del TR
Transmisor de control de velocidades múltiples Estos dispositivos tienen N pares de polos por fase, en vez de lo común de un par de polos por fase. Una rotación del eje mecánico produce N ciclos de salida eléctricos en vez de un ciclo producido por el sincronizador estándar
Se usa para mejorar la exactitud del CX o CT en un factor de N, donde N es “velocidad” o bien “orden” del sincronizador de velocidades múltiples
Idéntica a la del CT o CX
Idéntica a la del CT o CX equipada con relación de engranes elevadora de N a 1
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En las siguientes cinco figuras a) b) c) d) y e) se
reflejan diagramas esquemáticos de tipos comunes de
sincronizadores:
En la figura a)
Sincrotransmisor de control CX. N = relación de
transformación, máximo voltaje de salida del estator ER que
oscila de 0.2 a 2.0; ER = valor rms(eficaz) del voltaje de
referencia del rotor. √2 RR . sen(2ft), comúnmente 26 V; f
= frecuencia d excitación, por lo general de 60 o 400 Hz;
= ángulo del eje eléctrico, ángulo del eje del rotor para un
dispositivo de un solo par de polos; ES13 = ascenso de
voltaje de la terminal 1 a la terminal 3 del estator. Entrada
= = ángulo del eje físico. Salida = ES13 ES32 ES21.
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En la figura b)
Sincrotransformador de control (CT). Entradas = tres
voltajes del estator procedentes de un transmisor CX (de
control) con ángulo del eje de entrada . Salida = voltaje de
error monofásico ER sal proporcional al seno de la diferencia
entre los ángulos de eje de los dos sincronizadores CX y CT.
En el equilibrio, el error ER sal pasa a ser cero y = , o el
ángulo del eje de salida es accionado para coincidir con el
ángulo del eje de entrada, .
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En la figura c)
Sincrotransmisor diferencial de control (CDX), Do=
ángulo diferencial, ángulo del eje CDX.
En la figura d)
Par de detectores de CX-CT
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Ampliando el gráfico en tres partes para ver detalles
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En la figura e)
Par de sincrotransmisor de fuerza (TX) y
sincrorreceptor de fuerza (TR). ER = excitación de referencia
que se aplica a ambos rotores en paralelo Entrada = ángulo
del eje . Salida = ángulo del eje , y = + términos en
error es casi igual a . El sincrotransmisor diferencial de
fuerza (TDX)(no se presenta) tiene el mismo esquema que
el sincrotransmisor diferencial de control (CDX) que se
ilustra en la figura c).
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Ampliando el gráfico para ver los detalles:
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A continuación se va a explicar que podemos obtener
sincromáquinas combinando los sincronizadores
estudiados.
El Sincrorrepetidor
Está formado por la conexión de un sincrotransmisor y
un sincrorreceptor.
El esquema eléctrico de un sincrorrepetidor es:
Cada bobina estatórica o estator del secundario S1, S2,
S3, está unida a cada bobina estatórica del sincrorreceptor.
Los dos arrollamientos rotóricos se alimentan de la
misma fuente de corriente alterna (CA). En está condiciones
se fija el rotor del sincrotransmisor en la posición angular øe
arbitraria, indicada en la figura anterior. Al inducirse como
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CA
Figura 4
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ya sabemos tensiones en los estatóricos del primero (el
sincrotransmisor) S1, S2, S3, dan lugar a una corrientes y por
consiguiente a la creación de flujos magnéticos alternos en
S’1, S’2, S’3. Dichos flujos determinan en el sincrorreceptor
un campo resultante de igual magnitud y dirección que el
campo resultante del sincrotransmisor(con sentido
opuesto).
Por lo tanto el rotor del sincrotransmisor tenderá a
orientarse en las direcciones de este flujo y adoptará la
posición angular øs, de modo que øe = øs.
Concluyendo el sistema es más preciso cuando menor
sea el par resistente del rotor con respecto al par del
sincrotransmisor. Para mejorar la sensibilidad suele
acoplarse el sincrotransmisor al eje primario a través de un
juego de engranajes reductores.
El Sincroconvertidor
Conectando los arrollamientos estatóricos de un
sincrotransformador a los de un sincrotransmisor se
obtiene el esquema de un sincroconvertidor.
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La posición del rotor del sincrotransmisor (eje de
mando) es la que se toma como referencia. Cuando el rotor
del sincrotransformador (eje controlado) se encuentra en la
posición indicada, se dice que el sistema está a cero. Al
excitar con corriente alterna el devanado rotórico del
sincrotransmisor se producen los fenómenos anteriormente
explicados. Sin embargo ya que el rotor del
sincrotransformador está dispuesto perpendicularmente a
este flujo resultante, no se induce en él ninguna tensión.
Esto quiere decir que cuando ambos rotores se hallan en las
posiciones relativas mencionadas, la tensión de salida es
cero. En el caso del eje controlado se separa de la posición
de cero el rotor del sincrotransformador adoptará la
desviación angular øs (véase la figura 6) parte del flujo
resultante de S’1, S’2, S’3, cortará las espiras del
arrollamiento rotórico, y en los bornes del mismo aparecerá
una tensión
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Figura 5
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E = E sen øs emáxima øs = 90º
Enula øs = 0º
Si øs > 180º se invierte de
fase
De esto podemos deducir que toda desviación angular
del rotor con respecto a la posición cero se traduce en una
tensión rotórica de salida proporcional al seno de dicha
desviación, he aquí la razón por la que se denomina
sincroconvertidor.
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El Sincrodiferencial
Un sincrodiferencial pueden emplearse como
transmisor o como receptor.
Básicamente son de construcción idéntica a los
anteriormente estudiados si hablamos de las estructuras
estatóricas (estator).
La única diferencia respecto a las sincromáquinas
anteriores se basa en la diferencia en cuanto al rotor. El
rotor está constituido por tres arrollamientos cuyos ejes
están desfases 120º entre sí. Los tres extremos interiores
están unidos en cortocircuito; los tres extremos exteriores a
tres anillos colectores independientes.
Sí Conectamos un transmisor diferencial de la manera
indicada en la figura 7:
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Figura 8
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Entre un sincrotransmisor y un sincrotransformador
se obtiene el esquema de un sincrotransmisor diferencial y
su funcionamiento es el siguiente:
Si por el rotor I se mantiene en la posición angular ø1,
induce en el estator I tres campos cuya resultante tiene
dirección opuesta. Las corrientes originadas por éstos
últimos determinan en el estator II otros tres campos, cuya
resultante tiene dirección opuesta a la anterior, o sea ø1.
Según la ley de Lenz, el campo inducido en el rotor II se
opondrá al estator II es decir, tendrá una dirección + ø1..
Cómo el rotor II se mantiene a una posición angular ø2 , la
desviación de dicho campo con respecto a la línea de cero
del rotor será solamente: + ø1 - ø2. y ø3 = ø1-
ø2.que corresponderá a una línea de cero.
Suponemos ahora que el rotor III está orientado de
modo exactamente perpendicular a ø3.; La tensión inducida
será nula y no habrá, en consecuencia, señal de error. Para
una posición cualquiera de ø4.del rotor la señal de salida e
será la siguiente:
E = E cos (q4 – q3 ) = E cos [q4 – (q1 – q2)
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3.Tipos de comparadores
- Introducción
Dentro de la tipología de elementos comparadores,
existen unos cuya finalidad es la de efectuar la detección
de un desplazamiento muy pequeño, ya sean angulares o
bien lineales.
En este capítulo se abordarán los más extendidos y
utilizados a nivel industrial.
- Transformador diferencial lineal
Es un tipo de transductor electromagnético que
convierte el movimiento físico en tensión de salida con
amplitud y fase proporcionales a la posición.
Transductor lineal de movimiento
Componente utilizado en instrumentación que
traduce un movimiento rectilíneo (lineal) mecánico
en una señal de alterna analógica, que es utilizada
como señal de realimentación para control o
presentación. Dispositivo, tipo transformador, en el
que un núcleo magnético móvil se desplaza
axialmente por el componente móvil que se está
monitorizando. Cuando el núcleo se mueve en una
dirección, desde el centro de su localización inicial,
la tensión de salida está en fase con la de excitación
y cuando el núcleo se mueve en la dirección
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opuesta desde el centro, la tensión de salida está
desfasada 180º.
Transformador diferencial E
Forma especial de un transformador diferencial
que emplea un núcleo en forma de E.
Está constituido por dos núcleos magnéticos de
los cuales el principal tiene forma de E y el
secundario es simplemente una barra que efectúa el
cierre de circuito magnético.
En cada brazo extremo del núcleo principal se
encuentra una bobina; ambas bobinas, que son
idénticas, están conectadas en oposición. En el
brazo central se ha dispuesto de una tercera bobina
a la que se aplica una tensión alterna.
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Si el núcleo de cierre está perfectamente cerrado
a los barzos extremos, el doble circuito magnético
es simétrico, los flujos parciales idénticos y las
tensiones VAB y VBC inducidas en las bobinas
laterales iguales y opuestas, con lo cual la tensión
de salida es nula.
Por el contrario, cuando el núcleo de cierre está
desplazado de esta posición en uno u otro sentido,
desaparece la simetría, se establece un flujo mayor
en el brazo de menor reluctancia, las tensiones
inducidas son distintas, y a la salida aparece una
tensión VAB -VBC con un sentido o polaridad y un
módulo o valor. Este valor es proporcional a la
desviación del núcleo de cierre con respecto a su
posición de centrado. En cambio la polaridad
obviamente depende del sentido de dicha
desviación.
Una posible utilidad de este elemento
comparador sería la de traducir o transformar un
pequeño desplazamiento en una señal eléctrica.
Aplicada esta señal de error a un servomotor
adecuado, puede conseguirse que el sistema vuelva
a las condiciones deseadas. Para conseguir dicha
tarea, el compilador deberá ser de una construcción
muy detallada para que la eficiencia sea máxima.
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El circuito magnético debe ser perfectamente
simétrico, y las dos bobinas inducidas deben poseer
el mismo número de espiras e igual resistencia.
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A continuación observe las gráficas en función de
la de la situación del secundario.
- Medidor de deformación (Extensímetro)
Proporcionan un método para generar una señal
eléctrica que es exactamente proporcional a los
movimientos mecánicos extremadamente pequeños. Este
medidor funciona basándose en que la resistencia de hilo
depende de su longitud y de su diámetro, así como la
resistividad de su material. Cuando un hilo está estirado, su
longitud aumenta y su sección disminuye, de lo que resulta
un aumento de la resistencia. Si la atracción no es excesiva,
el alambre recupera su longitud, sección y resistencia
originales cuando cesa la fuerza de tracción.
En el tipo de hilos fijados a la pieza en ambas caras de
una placa de material flexible hay tendido bajo tensión un
hilo fino contorneando espigas salientes fijadas a la base.
EL hilo está pegado sobre la pieza en ambas caras de ésta y
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en las dos son iguales longitudes de hilo. En
funcionamiento, la unidad, se sujeta a una estructura
mecánica en la que tienen lugar pequeños esfuerzos de
flexión. La variación de la resistencia es proporcional al
ángulo de flexión o curvatura.
Cuando no está la base flexible a curvatura, las
resistencias de las longitudes de hilo son iguales en ambas
caras de la base. SI la base se dobla longitudinalmente en
cualquier sentido, el hilo resulta sometido a un esfuerzo de
tracción mayor en una de las caras de la placa que en la
otra. Esto hace que la resistencia del hilo de una cara
aumente y disminuya la del hilo de la otra cara.
- Comparador Capacitivo
Este tipo de comparador se representa
esquemáticamente en las siguiente figura:
Se compone en esencia de un condensador, una de
cuyas armaduras está formada por dos placas, a y b que
alimentan con AC y en oposición de fase; la otra armadura,
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c, va unida a uno de los bornes de salida. Mientras la placa
intermedia, d, permanece centrada con respecto a ambas
armaduras, las dos cargas que aparecen en c son iguales y
de sentido opuesto y, por tanto, la señal de salida es nula.
El desplazamiento de d hacia uno u otro sentido destruye
este equilibrio y origina una tensión de salida variable con
la magnitud del otro.
Este elemento es de pequeñas dimensiones y pequeño
peso. Con la finalidad de aumentar su sensibilidad se
emplean frecuencias de alimentación elevadas,
normalmente de 1 MHz.
- Comparador Silverstad
Este comparador se basa en el desequilibrio creado en
una de las ramas de un puente de Wheatstone.
El puente puede alimentarse con AC o DC, según la
naturaleza de error deseada. Las resistencias del puente
están calculadas de forma que, cuando la espiga móvil está
centrada, existe equilibrio, es decir, la tensión de salida es
cero. A medida que la espiga se va desplazando en uno u
otro sentido pone sucesivamente en cortocircuito, por
medio de láminas de contacto, una porción creciente de
resistencia en una de las dos ramas variables del puente.
Cuanto mayor es la desviación de la espiga, tanto mayores
son el desequilibrio del puente y la tensión de salida.
Con un dispositivo de esta naturaleza pueden
detectarse directamente desplazamientos del orden de
0.1mm. Utilizando una amplificación mecánica conveniente,
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es posible aumentar la precisión a desplazamientos de
0.01mm.
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- Comparador Electromágnetico
El funcionamiento se basa en el cambio de reluctancia
que experimenta un circuito magnético al variar su
entrehierro por desplazamiento de una armadura polar de
cierre. Esta armadura polar es solidaria de la parte móvil
cuyo desplazamiento quiere detectarse. El reto del circuito
es fijo.
- Comparadores Fotoeléctricos
Estos comparadores se basan en el empleo de
fotocélulas, que pueden ser conductivas o resistivas
CONDUCTIVAS:
La incidencia de un haz luminoso provoca la
generación de una tensión eléctrica proporcional a la
intensidad del mismo ( son de Selenio).
RESISTIVAS:
No se genera tensión alguna, pero la resistividad del
material sensible que las compone varía en proporción
inversa a la intensidad de la luz incidente. (son de sulfuro
de Cadmio).
Estos comparadores pueden ser de traslación y de
rotación. Van provistos de dos células fotoeléctricas.
El funcionamiento básico es el de que mientras el
sistema es simétrico, ambas células reciben la misma
intensidad luminosa y generan señales eléctricas iguales. Al
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producirse una desviación dicho equilibrio desaparece y
cada célula genera una señal de distinto nivel.
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4.Generadores tacométricos
- Concepto de Dinamo Tacométrica
El dispositivo más común que se utiliza para medir la
velocidad analógica es el tacómetro o dinamo
tacométrica, que convierte velocidad angular en un
voltaje cuya magnitud y signo (o fase) varían casi
linealmente con la magnitud y dirección de la velocidad
angular aplicada. Ç
- Función comparadora de un dinamo
tacométrica
Son máquinas eléctricas que suministran tanto en
vacío como en carga, una tensión exactamente
proporcional a la velocidad de giro. Esta característica
esencial permite utilizarlas para detectar en cualquier
momento o instante el número de revoluciones del sistema
sometidas a regulación.
Basta para ello con acoplar directa o indirectamente la
dinamo tacométrica sobre el eje de la máquina en cuestión
39
Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
Vbornes (señal de tensión que aparece entre sus
bornes), fluctúa con vrot (velocidad de rotación),
cuyas variantes son traducidas Magnitud electrica
para ser comparadas con la Vref (señal de
referenc¡a).
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Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
- Clases de dinamos tacométricas
Un generador tacométrico o dinamo tacométrica
puede construirse para CD y CA ( corriente continúa y
alterna respectivamente).
Los generadores tacométricos de CD:
Van provistos de colector, que ya proporciona
directamente la corriente continúa necesaria para la
regulación.
Los generadores tacométricos de CA:
Poseen un sistema rectificador situado
inmediatamente tras la salida de la tensión alterna
inducida.
Un Tacómetro es básicamente un generador de
voltaje, especialmente diseñado para producir una salida de
voltaje que varía linealmente con la velocidad del eje
aplicada. Un tacómetro de CD produce un voltaje de salida
CD con una frecuencia de ondulación superpuesta que
aumenta con la velocidad angular aplicada. La ondulación
es provocada por el efecto de conmutación de los
colectores (conmutadores) que se utilizan en generadores
de CD. Este efecto se minimiza maximizando el número de
barras (delgas) del colector, y el voltaje de ondulación se
puede mantener sin dificultad en un pequeño porcentaje
del voltaje de salida de CD.
41
Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
Invirtiendo la dirección de rotación, también se invierte
la polaridad del voltaje CD. Aunque la velocidad mínima
3especificada es de 600 rpm, el tacómetro de CD opera a
velocidades menores.
Los tacómetros de CD se especifican como lineales en
un intervalo de rpm limitado aunque funcionarían en todas
las velocidades desde cero hasta alguna velocidad
relativamente alta.
Los tacómetros de inducción de CA bifásicos tienen
rendimiento restringido por límites de velocidad superior,
dependiendo de la frecuencia de voltaje superior de
excitación aplicado. La salida de un tacómetro de inducción
de CA bifásico es un voltaje sinusoidal en fase con el voltaje
de referencia para una velocidad angular positiva y
desfasado 180º para una velocidad angular negativa.
Una velocidad angular positiva suele significar una
rotación antihoraria, vista desde el extremo del eje, aunque
también se utiliza la definición inversa (horaria = positiva).
La magnitud de esta salida de voltaje CA varía con la
magnitud de la entrada de velocidad pero, a diferencia de
lo que ocurre en los generadores de CA ordinarios, la
frecuencia de salida del tacómetro de inducción de CA
bifásico es constante.
Para minimizar el desfasamiento entre el voltaje de
referencia y el de salida, la máxima velocidad(rpm) del
tacómetro de CA debe ser mucho menor que la velocidad
42
Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
sincrónica correspondiente a la frecuencia de excitación, a
fin de preservar la relación de fase de 0 a 180º.
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Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
- Características del tacómetro de CA
1. El tacómetro de CA es un dispositivo de inducción
bifásico sin anillos colectores ni conmutador, y libre de
chispas. La armadura de cápsula no magnética
rotatoria es de metal sólido y hueca
2. El tacómetro de CA requiere excitación en una fase,
con un voltaje de referencia VR de amplitud rms A
(volts) y frecuencia f (hertz)
VR = A2 sen 2ft
Habitualmente f = 60 o 400 Hz y A = 155 V rms
3. El voltaje de salida de, un tacómetro de inducción de
CA bifásico es de frecuencia constante f igual a la
frecuencia de excitación a cualquier velocidad del eje.
En el intervalo de velocidad lineal útil, el voltaje de
salida está en fase con el voltaje de referencia en una
dirección de rotación del eje, y desfasado 180º en la
dirección de rotación contraria.
4. El intervalo de velocidad lineal útil de los tacómetros
de CA con frecuencia de excitación de 60 Hz varía de
aproximadamente 500 a 1.800 rpm; 1.800 rpm es la
mitad de la velocidad sincrónica correspondiente de
60 ciclos/s X 60 s/min = 3.600 r/min. En el caso de los
tacómetros de CA con excitación de 400Hz, el
intervalo citado varía de 500 a 12.000 rpm pero suele
especificarse como 500 a 6.000 rpm. Esto permite una
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Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
menor desviación del desfasamiento y por tanto eleva
la exactitud.
- Características del tacómetro de CD
1. El tacómetro de CD es un generador de CD en
miniatura, que suele contener un campo magnético
permanente. La armadura giratoria consta de un
núcleo de hierro arrollado con muchos devanados
que terminan en un colector (conmutador) cilíndrico
giratorio multisegmentado. Cada devanado es
terminado por dos barras o delgas de colector, por
lo general de cobre. Habitualmente los devanados
están interconectados en un patrón de ciclo
cerrado, que se denomina devanado imbricado u
ondulado. Las conexiones deslizantes estacionarias
al colector giratorio segmentado de cobre suelen
construirse con carbón comprimido y se denominan
escobillas de carbón.
2. A diferencia de un tacómetro de CA, el de CD no
requiere voltaje de excitación ni entrada de energía
cuando se construye con un campo magnético
permanente. El imán permanente suele ser de álnico (
una aleación de metales), que puede producir una
densidad de flujo magnético hasta de 1 T = 1 Wb/m2
= 10.000 gauss. Como punto de comparación, el
campo magnético de la Tierra es de
aproximadamente 0,7 gauss.
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Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
3. El voltaje de salida de un tacómetro de CA es
positivo en una dirección de rotación del eje y
negativo en la dirección contraria. EL voltaje de CD
está sujeto a una pequeña ondulación que
representa cuando mucho un pequeño porcentaje
de la salida de CD, en el caso de un tacómetro
típico. La frecuencia de la componente de voltaje de
ondulación aumenta linealmente con la velocidad
de eje.
La salida de voltaje de CD está dada por la siguiente
ecuación
Vsal = K1
Donde = velocidad del eje, rad/S
K1 = constante, V/rad/s ( valor típico : K1 =
0.06 V/rad/s)
4. El intervalo de velocidad de operación lineal (+/- 3%
calida promedio, +/- 1/3%, buena calidad),
habitualmente va de varios cientos a varios miles de
revoluciones por minuto.
No existe un límite superior fundamental para el
intervalo de velocidad de velocidad de un tacómetro de CD,
como lo hay para una tacómetro de CD, como lo hay para
un tacómetro de CD. Los diversos problemas que pueden
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Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
presentarse con los materiales limitan la velocidad de los
tacómetros de CD.
La siguientes figuras ilustra las características de los
tacómetros de CA y CD:
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Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
48
Figura 10Figura 9
Figura 12Figura 11
Figura 14
Figura 13
Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
- Explicación de los gráficos
Las figuras a) y d) son tacómetros de CD con campo
magnético permanente, = d/dt = velocidad angular,
rad/s. Si la dirección de se invierte, la polaridad de Vsal se
invierte. Vsal = K1 en la región lineal, V CD, donde K1 = cte
del tacómetro = V/rad/s; valor típico 0.06 V7rad/s.
La figura a) Esbozo generalizado
La figura b) Esquema eléctrico
La figura c) Voltaje de ondulación, máximo a 4.000
rpm u = 4.000 x 2/60 rad/s.
La figura d) Vsal V/s rpm
Las figuras e) y h) Tacómetro de CA , que requiere una
referencia de CA, Vent, normalmente 115V rms a 60 o 400
Hz. Por tanto, Vent = 115 2 sen (260t) o bien 115 2 sen
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Figura 15
Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
(2400t). EL voltaje de salida, Vsal, está dado Vsal = K2 Vent
= K3 en la región lineal. Observe que , la velocidad
angular, modula la amplitud de Vent pero no cambia la fase
o la frecuencia. Cuando se invierte, Vsal experimenta un
cambio de fase de 180º. Un valor común de K3 es 6.5
V/1.000 rpm x 60/2 = V/r/s. El ángulo de fase de Vsal se
mide con respecto a Vent.
La figura e) Esbozo generalizado
La figura f) Esquema eléctrico.
La figura g) Vsal (t), máximo y mínimo, Vrms =
6.5V/1.000 rpm x 1.750 rpm = 11.375 V, Vp = 2 Vrms =
16.08 V
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Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
5.El potenciómetro como elemento de control. Tipos
- Definición de potenciómetro como elemento
Instrumento de medida de precisión empleado para
comparar directa y exactamente mediante una técnica de
anulación de tensiones continuas desconocidas con
tensiones derivadas de una referencia.
Tipo de reostato consistente en una resistencia entre
dos terminales fijos y un tercer terminal conectado a un
brazo de contacto variable, empleado como control de
volumen, etc.
- El potenciómetro como elemento de control
Los potenciómetros o divisores de tensión adoptan un
papel muy concreto, como comparador, en los circuitos de
control.
El potenciómetro es una resistencia que dispone de un
contacto deslizante que se mueve a lo largo del elemento
resistivo.
Podemos diferenciar dos tipos, según sea el
movimiento:
- Rotación
- Translación
Normalmente se utilizan los de rotación, cuyo
funcionamiento es que a medida que realizamos un
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Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
movimiento de rotación sobre un eje la resistencia
varía; de ahí viene el sinónimo de potenciometro,
resistencia variable, ya que la resistencia cambia su
valor en función del desplazamiento de un eje si es
rotacional o de un cursor si es transversal.
A continuación se muestran los esquemas físico y
eléctrico (simbología) de un potenciómetro:
Un potenciómetro se denomina lineal si la resistencia
por unidad de longitud es contante.
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Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
De la segunda figura:
(R/RT) = (Ø / ØT) (ec. 1)
ya que existe una relación entre el ángulo de giro en un
instante con el valor de resistencia del potenciómetro en
ese instante.
Cómo la tensión en bornes del potenciómetro está
relacionada con el valor de resistencia del
potenciómetro de todo esto podemos deducir que:
Sí (Eo / Ei) = (R / RT)
De la (ec. 1) se puede deducir que
Ø = (Eo / Ei) ØT
O lo que los mismo, que la tensión de salida o de
contacto Eo es proporcional al cociente del ángulo de giro:
Eo = (Ø / ØT) Ei
Los potenciómetros de los circuitos de control son
especiales ya que requieren una gran precisión, con poco
par de rozamiento (para disminuir el posible error por
desgaste) y con un período de “vida” bastante largo. Por
ello los potenciómetros tienen que ser una naturaleza en la
que los materiales sean más resistentes y precisos que los
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Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
que se utilizan para fabricar los típicos potenciómetros de
circuito impreso de uso común.
- El potenciómetro como elemento de control
- De grafito
- De película moldeada
- De plástico moldeado
- De resistencia bobinada
- De arrollado por núcleo cilíndrico
Los más utilizados como elemento comparador en los
circuitos de control son ç
los de arrollado por núcleo cilíndrico. Se fabrican
con una gran variedad de valores de resistencia y de
potencia.
Otro tipo utilizado es el de película moldeada por un
material resistivo, metálica o de carbón, sobre un
soporte aislante. Como el contacto deslizante se
mueve sobre una superficie relativamente plana y lisa,
el rozamiento y desgaste son inferiores a los de hilo
arrollado, haciéndolos más duraderos. Un
inconveniente es que son muy caros, no son fiables al
sufrir cambios de temperatura ya que hacen variar el
valor óhmico de la resistencia (muy sensible a la Tª) y
finalmente, aguantan poca potencia.
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Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
El potenciómetro de la figura (forma física) descrito
anteriormente, el ángulo de rotación real difiere del ideal
(360º) es ligeramente inferior, aún sabiendo que puede dar
vueltas enteras, si necesitamos un potenciómetro muy
preciso podemos utilizar de una sola vuelta ya que su
diámetro va desde 0,5 a 5 pulgadas o más. Piensa que a
medida que aumenta el diámetro de un potenciómetro de
vuelta única se mejora la precisión debido a la mayor
longitud del elemento resistivo.
Normalmente se fabrican de 3,5 o 15 vueltas. El eje de
un potenciómetro de varias vueltas no puede moverse
continuamente en un mismo sentido y ha de disponer de
unos topes mecánicos.
En un potenciómetro lineal, la precisión la mayor
desviación se produce en los finales de carrera, allí donde la
resistencia entre el contacto móvil y el terminal se
incrementada por una resistencia adicional de final de
carrera.
Al especificar la precisión de un potenciómetro los
constructores definen la denominada linealidad
independiente (desviación máxima de la característica real
respecto a la línea recta que mejor sigue la característica,
expresada en forma de porcentaje de la resistencia total del
dispositivo)
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Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
Como la línea recta no es necesario que pase por el
origen, se obtiene mejor valor en la linealidad. La tolerancia
de linealidad, normalmente mejora al aumentar la
resistencia del elemento, el diámetro y el número de
vueltas. Los valores más usuales son de 0.1 a 1.0% para los
potenciómetros de una sola vuelta, y de 0.01 a 0.1% para
los de varias vueltas.
En cuanto a la tensión de salida de un potenciómetro
continuo varía de forma continua y gradual a medida que
varía el ángulo del eje Eo = f(ø)
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Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
En realidad los potenciómetros con hilo arrollado, la
tensión va variando de manera discontinua y escalonada a
medida que el contacto deslizante salta de una o otra
espira. Por ejemplo si la resistencia tiene 1000 espiras
sobre el mandril, la tensión variará efectuando 1000 saltos
para una variación total de la posición del eje. Cada salto
representará un 0.1% de la variación total (conocida como
resolución del potenciómetro) y se refiere a dichos
incrementos discontinuos.
% de resolución = (100 / número de espiras)
Se obtiene una mejor resolución con un alambre fino y de
elevada resistencia, de muchas espiras, como ocurre en los
potenciómetros de varias vueltas. Los potenciómetros de
alambre arrollado normalmente proporcionan una
resolución de 0.001 a 0.1%. Los potenciómetros peculiares
no presentan saltos y tienen prácticamente una resolución
de cero.
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Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
La resolución de un potenciómetro es importante en
servomecanismos porque determina un valor mínimo en la
señal de error. Si la señal de error es demasiado grande, el
sistema puede tender a oscilar entre dos espiras
adyacentes, provocando un desgaste en dicho punto.
Al principio se ha supuesto que no se absorbe corriente a
través del contacto deslizante. En la práctica, la tensión de
salida del potenciómetro debe aplicarse a una impedancia
de carga, tal como la entrada tal como la entrada de un
amplificador, esto quiere decir que se presenta un efecto de
carga debido a la intensidad que pasa por ella. La figura
anterior lo ilustra, la intensidad que circula por la
resistencia de carga (RL) provoca una caída de tensión y
eso hace que reduzca la tensión de salida (Eo), de forma
que se obtiene una forma no lineal. Observe como la
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Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
desviación respecto de la linealidad depende de la posición
del contacto deslizante y del valor de la carga.
Con el contacto móvil en una determinada posición, la
resistencia R que representa un potenciómetro cargado es:
R = (1 - £) Rp + [(£RpRL) / (RL + £Rp)]
Donde
Rp = resistencia total del potenciómetro
RL = resistencia de carga
£ = ( ø / øT ) posición angular definida por la
situación del contacto móvil
Puesto que la corriente (I) que pasa por el potenciómetro
vale
I = (Ei / Ri)
Podemos expresar la tensión de salida como:
Eo = I [(£RpRL)/(RL + £Rp)]
Y sabiendo que I = (Ei/R), sustituyendo la expresión de R
calculada anteriormente obtendremos la Eo final:
Eo = (£Ei) / ( 1 + £(1 - £) Rp / Ri
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Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
- Potenciómetro de INDUCCIÓN
Un potenciometro de inducción produce una salida de
voltaje de CA intervalo angular de menos de 180º. En la
siguiente figura se muestra el diagrama esquemático de un
potenciometro de inducción
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Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
La diferencia principal entre los potenciometros de
inducción y un resolvedor es que la salida del segundo varía
como el seno (o coseno) de un ángulo. Los devanados de
un potenciometro de inducción no están espaciados de
manera uniforme, sino que están distribuidos en forma
irregular para cancelar la variación sinusoidal de voltaje
inherente que produce una bobina que gira en un flujo
magnético uniforme.
Ventajas:
No tienen contactos deslizantes o de frotamiento, por
lo que experimentan muy poco desgaste
Por la razón anterior , producen un momento de
torsión friccional muy bajo, y por ello se pueden
utilizar en aplicaciones en que son tolerables
momentos de torsión de carga mínimos
Su resolución angular es teóricamente infinita.
Desventajas:
Están limitados a un intervalo como mucho de 180º 0
+y – 90ºy suelen se lineales en un intervalo menor.
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Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
6.Resumen de conceptos
- COMPARADOR
1. Circuito que compara dos señales y suministra una
indicación de su concordancia o desacuerdo
2. Dispositivo que compara la igualdad entre 2 entradas. Un
tipo de ellos compara tensiones y da una de estas 3
salidas (<, = y >). Un tercer tipo compara fase y
frecuencia y da una tensión variable dependiente de las
relaciones entre las entradas
3. Circuito que compara dos señales y proporciona una
señal <<diferencia>>
4. Dispositivo activo que compara dos señales diferente y
proporciona una salida cuando éstas difieren en fase,
frecuencia, tensión o nivel de potencia
5. Circuito que evalúa una parámetro de salida para
determinar si está por debajo de algunos límites
predeterminados
- DINAMO
6. Normalmente llamado generador. Máquina que convierte
la energía mecánica en energía eléctrica por inducción
electromagnética
7. En terminología precisa, generador de corriente continúa
en oposición al alternador, que genera corriente alterna
- DINAMÓMETRO
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Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
1. Instrumento en el que la fuerza entre una bobina fija y
otra móvil proporciona una medida de corriente o
potencia
2. Equipo diseñado para medir la potencia de salida de una
máquina giratoria, determinando la fricción absorbida por
un freno de mano que se opone a la rotación
- DINAMOTOR
También llamado convertidor rotativo o inversor
síncrono. Dispositivo giratorio para cambiar una tensión
continúa con dos o más arrollamientos de inducido y un
conjunto común de polos de campo. Un inducido recibe la
DC y gira (opera con un motor) mientras que el otro genera
la tensión requerida (opera como una dinamo o generador)
- TRANSFORMADOR TIPO E
Forma especial de un transformador diferencial que
emplea un núcleo en forma de E. Los devanados
secundarios del transformador están arrollados sobre las
partes externas de la E y el devanado primario está en la
parte central
- COMPARADOR SILVERSTAT
Disposición de contactos colocados muy próximo entre
sí. A veces se usa como dispositivo paso a paso para
desequilibrar las ramas de un puente de resistencias
- SINCRO
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Elementos comparadores en los circuitos de control Tema 67
Aparato semejante a un pequeño motor, con rotor y
estator y capaz de transforman una posición angular de
entrada en una salida eléctrica.
Un sincro proporciona indicación mecánica de la posición
de su eje como resultado de una entrada de tipo eléctrico, o
da una salida eléctrica que representa a una cierta función
del desplazamiento angular de su eje. Tales componentes
son básicamente transformadores variables y también se
les llama sincro. Si el rotor de un sincro gira origina una
cambio en sus tensiones de salida.
- FOTOELÉCTRICO
Perteneciente a los efectos eléctricos de la luz o de otras
radiaciones sobre un material (por ejemplo, la emisión de
electrones, la generación de una tensión, o el cambio en la
resistencia eléctrica cuando se el expone a la luz. Los
fotoelectrones son los electrones emitidos por un metal por
efecto fotoeléctrico.
- ELECTROMÁGNETICO
1. El que tiene propiedades eléctricas y magnéticas
2. Perteneciente a los campos eléctricos y magnéticos
mutuamente perpendiculares asociados con el
movimiento de electrones a través de una conductor
como un electroimán.
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