Conceptos Básicos de Circuitos

¿Qué es un Divisor de Tensión? Ejemplo de Aplicación

Cuando se tienen varias resistencias conectadas en serie a las que se aplica una tensión determinada, la tensión en cada resistencia individual es directamente proporcional al valor de su resistencia. Este circuito se conoce como divisor de tensión. Un ejemplo de aplicación es la tacodinamo.

Componentes Activos y Conmutación

Amplificador Operacional (Op-Amp)

Los amplificadores operacionales son circuitos integrados versátiles utilizados para realizar diversas operaciones matemáticas y de procesamiento de señales.

Características de los Circuitos con Operacionales

• Idealmente, poseen una impedancia de entrada infinita (no consumen corriente de la fuente de señal).
• Idealmente, poseen una impedancia de salida cero (pueden entregar corriente sin que su tensión de salida varíe).
• Se considera que las corrientes que entran por sus terminales de entrada (+ y -) son cero.
• Cuando se utiliza realimentación negativa, se considera que las tensiones en ambas entradas son iguales (V+ = V-), concepto conocido como «cortocircuito virtual».

Alimentación de un Relé Mediante Transistor

Se utiliza un transistor para controlar la activación de un relé desde un circuito de control de baja potencia. Una pequeña corriente de control, proveniente del circuito de mando, se aplica a la base del transistor. Esto permite que el transistor conduzca una corriente mayor a través de su colector y emisor, suficiente para energizar la bobina del relé. Los contactos del relé pueden entonces conmutar una carga de mayor potencia.

Es crucial incluir un diodo en antiparalelo con la bobina del relé. Este diodo, llamado diodo de libre circulación o «flyback», protege al transistor de la sobretensión que se induce en la bobina cuando esta se desenergiza bruscamente.

Procesamiento y Acondicionamiento de Señales

Acondicionador de Señal

Un acondicionador de señal es un circuito o dispositivo que adapta la señal eléctrica proveniente de un sensor para que sea compatible con la etapa siguiente (por ejemplo, un sistema de adquisición de datos, un controlador o un visualizador). Sus funciones pueden incluir amplificación, filtrado, linealización, aislamiento o conversión del tipo de señal (ej. de resistencia a voltaje).

Ajuste de Span

El ajuste de span (o ajuste de ganancia) es un procedimiento de calibración que consiste en ajustar la salida de un sensor o instrumento para que su rango de medida coincida con el rango esperado de la magnitud física que mide. Por ejemplo, se aplica una concentración conocida de un gas de calibración a un detector de gases y se ajusta la salida para que indique ese valor exacto en el extremo superior de su escala.

Convertidor Analógico-Digital (A/D o ADC)

Es un circuito electrónico que recibe una señal analógica (variable en continuo) en su entrada y la transforma en una señal digital (representada por valores discretos, usualmente en código binario) en su salida.

Características Principales de los Convertidores A/D:

• Resolución: Es el cambio más pequeño en la señal de entrada analógica que puede ser detectado y representado en la salida digital. Se suele expresar en bits (ej. 10 bits, 12 bits). Un mayor número de bits implica una mayor resolución.
• Error de Cuantificación: Error inherente al proceso de convertir una señal continua en valores discretos. Es igual a ±1/2 del valor del bit menos significativo (LSB).
• Error de Linealidad: Máxima desviación de la función de transferencia real del convertidor respecto a una línea recta ideal. Indica cuán proporcional es la salida digital a la entrada analógica.
• Error de Offset: Valor de la salida digital cuando la entrada analógica es teóricamente cero. Idealmente, debería ser cero.
• Error de Escala (o Error de Ganancia): Diferencia entre la pendiente de la función de transferencia real y la pendiente ideal.
• Tiempo de Conversión: Tiempo total que necesita el convertidor para realizar una conversión completa desde que recibe la señal analógica hasta que entrega la salida digital estable.

Tipos Comunes de Convertidores A/D:

• Doble rampa
• Paralelo (Flash)
• En escalera (R-2R)
• Aproximaciones sucesivas (SAR – Successive Approximation Register)
• Sigma-Delta (ΣΔ)
• Convertidor Tensión/Frecuencia (V/F)

En la representación binaria de la salida digital, al bit de mayor peso (el que está más a la izquierda) se le denomina Bit Más Significativo (MSB – Most Significant Bit). Al bit de menor peso (el que está más a la derecha) se le denomina Bit Menos Significativo (LSB – Least Significant Bit).

Actuadores

Los actuadores son los dispositivos finales en un sistema de control. Reciben una señal de mando (eléctrica, neumática, hidráulica, etc.) y la transforman en una acción física sobre el proceso o sistema que se está controlando (mover algo, abrir o cerrar un paso, calentar, etc.).

Relé

Un relé es un interruptor electromecánico de baja o mediana potencia. Su función principal es permitir que un circuito de baja potencia controle la activación o desactivación de otro circuito de mayor potencia, manteniendo ambos circuitos eléctricamente aislados.

Relés y Contactores

Son interruptores gobernados eléctricamente. Se componen fundamentalmente de:

• Electroimán: Formado por una bobina y un núcleo magnético. Al circular corriente por la bobina, se genera un campo magnético que atrae una parte móvil (armadura).
• Contactos: Juego de láminas conductoras que se abren o cierran mecánicamente por la acción del electroimán. Pueden ser Normalmente Abiertos (NA o NO) o Normalmente Cerrados (NC).

Funcionamiento: En estado de reposo (bobina sin excitar), los contactos están en su posición normal. Al excitar la bobina con la tensión adecuada, el electroimán actúa y los contactos conmutan a la posición contraria. Al cesar la excitación, vuelven a su estado de reposo.

La diferencia principal entre relé y contactor radica en la potencia que pueden manejar sus contactos: los relés se usan para conmutar cargas de baja o mediana potencia (señales, pequeñas cargas), mientras que los contactores están diseñados para manejar cargas de alta potencia, como motores eléctricos industriales.

Relés de Estado Sólido (SSR – Solid State Relays)

Son interruptores electrónicos que realizan la función de conmutación utilizando componentes semiconductores (como tiristores, triacs o transistores MOSFET) en lugar de contactos mecánicos. Sirven para conmutar cargas de Corriente Alterna (CA) o Corriente Continua (CC).

Ventajas:

• Ausencia de partes móviles: Sin desgaste mecánico, sin rebotes de contacto.
• Mayor vida útil.
• Funcionamiento silencioso.
• Mayor resistencia a choques, vibraciones y ambientes agresivos.
• Alta velocidad de conmutación.
• Bajo consumo de potencia en el circuito de control.

Desventajas:

• Mayor sensibilidad a sobretensiones, sobrecorrientes y picos de corriente (requieren protecciones adecuadas).
• Generan calor durante la conducción (caída de tensión interna), pudiendo requerir disipadores de calor.
• Pueden tener una pequeña corriente de fuga en estado de bloqueo (off-state leakage).
• Generalmente, son específicos para CA o CC y para ciertos tipos de carga (resistiva, inductiva).
• Pueden ser más caros que los electromecánicos para la misma capacidad de corriente.

Válvulas

Son dispositivos mecánicos diseñados para regular, permitir o impedir el paso de un fluido (líquido o gas) a través de una tubería o conducto. En sistemas automatizados, suelen estar controladas por un actuador.

Tienen tres elementos principales:

• Cuerpo: Es la estructura externa de la válvula por donde circula el fluido. Contiene las conexiones a la tubería.
• Obturador: Es el elemento móvil interno (disco, bola, compuerta, aguja, etc.) que bloquea total o parcialmente el paso del fluido al asentarse sobre un asiento fijo.
• Actuador o Servomotor: Es el mecanismo que aplica la fuerza necesaria para mover el obturador y así operar la válvula (abrir, cerrar, regular). Puede ser manual (volante, palanca) o automático (eléctrico, neumático, hidráulico).

Servoválvula

Una servoválvula es un tipo específico de válvula que utiliza realimentación para controlar con gran precisión el caudal o la presión de un fluido, generalmente en sistemas hidráulicos. Responde proporcionalmente a una señal eléctrica de entrada, permitiendo un control fino del actuador hidráulico al que está conectada.

Bombas

Una bomba es una máquina hidráulica que transfiere energía mecánica a un fluido (líquido o gas), incrementando su presión y/o velocidad para transportarlo de un lugar a otro o hacerlo circular en un sistema.

Por el contrario, una turbina es una máquina que extrae energía de un fluido en movimiento y la convierte en energía mecánica (generalmente rotatoria).

Las máquinas que bombean gases reciben nombres específicos según la presión que generan:

• Ventilador: Baja presión.
• Soplante: Presión media.
• Compresor: Alta presión.

Tipos Comunes de Bombas:

• Desplazamiento Positivo: Mueven un volumen fijo de fluido en cada ciclo.
  • Reciprocantes (Pistón, Diafragma)
  • Rotativas (Engranajes, Paletas, Lóbulos, Tornillo)
• Rotodinámicas (Centrífugas): Imparten velocidad al fluido mediante un impulsor giratorio y luego convierten esa velocidad en presión.
  • Flujo radial (Centrífugas puras)
  • Flujo axial
  • Flujo mixto

Variadores de Velocidad

También conocidos como convertidores de frecuencia (para motores de CA) o drives, son dispositivos electrónicos que permiten controlar de forma precisa la velocidad de giro de los motores eléctricos.

• Para motores de Corriente Continua (CC): Controlan la velocidad ajustando la tensión aplicada a la armadura y/o al campo del motor.
• Para motores de Corriente Alterna (CA): Son los más utilizados actualmente, especialmente con motores de inducción trifásicos (tipo jaula de ardilla). Controlan la velocidad variando la frecuencia de la tensión de alimentación aplicada al motor. Usualmente, también ajustan la tensión de forma proporcional a la frecuencia (control V/f) para mantener el par motor. Permiten arranques suaves, control de velocidad preciso, ahorro de energía y control de par.