Actuadores de Posición Lineal (Actuadores de Fuerza)

Actuadores Piezoeléctricos

Funcionan mediante el efecto piezoeléctrico motor, que ocurre cuando ciertos materiales cambian de forma al aplicar un voltaje. Se utilizan cristales como el PZT (Titanato Zirconato de Plomo), que experimenta una deformación microscópica en función del voltaje aplicado. Para obtener desplazamientos mayores, se usan configuraciones en cascada (stacks piezoeléctricos), donde múltiples capas se combinan para generar mayor expansión. Son rápidos y precisos, ideales para aplicaciones que requieren nanómetros de movimiento, como en telescopios y microscopios.

Basados en el efecto piezoeléctrico motor. Se expanden o contraen según la polarización del voltaje. Usan materiales como PZT (Titanato Zirconato de Plomo). Ventajas: gran resolución (hasta nanómetros), alta velocidad. Desventajas: corta carrera, baja fuerza, alto costo. Aplicaciones: óptica (telescopios, microscopios), válvulas hidráulicas, inyectores.

Actuadores Magnéticos

1. Electromagnéticos: Basados en la atracción y repulsión de un campo magnético generado por una bobina al recibir corriente. Se usan en relés y válvulas electrohidráulicas, donde un núcleo ferromagnético se mueve dentro de la bobina. En las válvulas, este movimiento abre o cierra el paso de fluidos controlando la presión o el caudal. Generan movimiento con un campo magnético (relés, válvulas electrohidráulicas).
2. Electrodinámicos: Funcionan según la fuerza de Lorentz, donde una corriente eléctrica en un campo magnético genera movimiento. Son empleados en altavoces, donde una bobina móvil rodeada por un imán oscila para generar sonido. En mesas vibradoras, la corriente alterna varía la fuerza, generando vibraciones controladas. Basados en la fuerza de Lorentz (altavoces, mesas vibradoras).

Actuadores Hidráulicos y Neumáticos

• Hidráulicos: Utilizan un fluido incompresible (aceite) a alta presión (hasta 500 bar). Un pistón dentro de un cilindro se desplaza al recibir la presión del fluido. Usados en maquinaria pesada debido a su gran capacidad de fuerza. Usan aceite a alta presión (hasta 500 bar). Máxima fuerza posible.
• Neumáticos: Operan con aire comprimido (hasta 10 bar), que al expandirse genera movimiento en un pistón. Más rápidos que los hidráulicos, pero con menor capacidad de fuerza. Se utilizan en automatización industrial y líneas de ensamblaje. Usan aire comprimido (hasta 10 bar). Menos fuerza, pero más limpios. Usos: maquinaria industrial, simuladores de carretera, líneas de producción.

Actuadores Eléctricos Lineales

Movimiento lineal generado por un motor eléctrico con mecanismo de tornillo sin fin.

• Ventajas: costo bajo, mantenimiento reducido, limpio.
• Desventajas: menos fuerza que los hidráulicos.
• Aplicaciones: posicionamiento, corte, extrusión, prensado.

Actuadores Rotativos (Motores Eléctricos)

Motores de Corriente Continua (DC)

• Primer tipo de motor eléctrico.
• Funciona con un rotor con bobinas conmutadas electromecánicamente.
• Problema: desgaste del conmutador de carbón y eficiencia reducida.
• Brushless DC motor: versión moderna sin escobillas, con conmutación electrónica y imanes permanentes.
• Fácil de controlar (relaciones lineales entre voltaje y velocidad, corriente y par).

Motores de Corriente Alterna (AC)

• Utilizan corriente trifásica para generar un campo magnético giratorio.
• Funcionan por inducción electromagnética (Ley de Faraday).
• Mayor eficiencia, durabilidad y menor costo que los motores DC.

Sensores

Sensores de Luz

• LDR (Light Dependant Resistor): Resistencia que varía con la luz incidente. Fabricada con sulfito de cadmio, sensible a la luz visible, pero degradable con UV. No lineal, poco exacta y en desuso (solo en diseños antiguos).
• Sensores de luz de semiconductor (fotodiodos y fototransistores): Basados en el efecto fotoeléctrico. Convierten fotones en electrones, generando corriente proporcional a la radiación. Alta sensibilidad al infrarrojo (útil en paneles solares). Sensibilidad angular alta (cambio de 10° reduce un 20% la respuesta). Uso de lentes para mejorar la captación de luz.

Sensor de Fuerza: Célula de Carga

Basado en la deformación de un bloque de acero sometido a fuerza. Mide la deformación con galgas extensométricas, cuya resistencia cambia al alargarse o comprimirse. Se conectan en puente de Wheatstone para aumentar precisión. Señal amplificada con amplificador diferencial. Disponibles en múltiples formatos y rangos de medida.

Sensores de Presión

Se basan en la deformación de un diafragma al aplicarle presión. Pueden medir:

• Presión absoluta: comparada con el vacío.
• Presión relativa: comparada con la presión atmosférica.

Incorporan electrónica para acondicionar la señal de salida.

Sensores Piezoeléctricos (Deformación, Fuerza y Aceleración)

Basados en el efecto piezoeléctrico generador (cristales que generan voltaje al deformarse). Materiales: cuarzo, turmalina, PVDF (más piezoeléctrico que el cuarzo). Se usan en sensores de fuerza y especialmente en acelerómetros. Relación directa entre deformación, fuerza y voltaje generado.

Sensores de Concentración de Gases

Basados en la ionización del gas al aplicar voltaje. La resistencia del sensor varía con la concentración del gas. La respuesta es hiperbólica, aunque los gráficos pueden parecer lineales en escala logarítmica.

Sensores de Posición

1. Sensores Resistivos: Potenciómetro

   Formados por un elemento resistivo y un cursor móvil que se desliza sobre él. En los potenciómetros lineales, la resistencia varía según la posición del cursor. En los rotativos, varía según el ángulo de giro. La tensión de salida es proporcional a la posición: V = K · x. Desventaja: Como tienen contacto mecánico, sufren desgaste y tienen una vida útil limitada. Aplicaciones: Miden desplazamientos cortos y a baja velocidad.

2. Sensores Magnéticos: LVDT (Linear Variable Differential Transformer)

   Formado por un conjunto de bobinas y un núcleo de material ferromagnético que se desplaza. Cuando el núcleo se mueve, varía el campo magnético y la tensión de salida cambia de forma lineal con la posición. Ventaja: No hay contacto mecánico entre las partes fijas y móviles, evitando desgaste. Aplicaciones: Útil en sistemas de medida de posición y velocidad de alta precisión y alta velocidad.

3. Sensores basados en Reflexión de Ondas

   Aprovechan la velocidad de propagación de una onda y el tiempo que tarda en reflejarse en un objeto para calcular la distancia.

   Tipos según la onda portadora:

   • Sonora (ultrasonidos, sonar) → Utiliza ondas de sonido de alta frecuencia (40-70 kHz). Rango de hasta decenas de metros.
   • Luminosa (láser, lidar) → Más preciso que los ultrasonidos, puede llegar a grandes distancias.
   • Radio (radar) → Utiliza ondas de radio, ideal para largas distancias y sistemas avanzados de automoción.

   Fórmula para calcular la distancia: d = (C · t) / 2 Donde C es la velocidad de la onda en el medio y t es el tiempo de retardo del eco. Ventajas: No tienen contacto físico, pueden medir a grandes distancias. Aplicaciones: Aparcamiento autónomo (ultrasonidos), detección de objetos a larga distancia (lidar, radar).

4. Sensores Digitales: Encoders

   Se basan en la detección de pasos discretos en un movimiento.

   Tipos:

   • Encoders Relativos o Incrementales: Generan pulsos cuando un disco perforado gira. La posición se calcula contando pulsos desde un punto inicial. Problema: No tienen referencia absoluta, es necesario calibrarlos en cada encendido.
   • Encoders Absolutos: Asignan un código único a cada posición del disco mediante el código Gray. Siempre indican la posición exacta sin necesidad de calibración. Inconveniente: Resolución menor que los encoders relativos.

Preguntas y Respuestas sobre Convertidores de Potencia

P2.13 ¿Cómo se consigue que la corriente de la carga de un puente H sea prácticamente sinusoidal?

A pesar de que un puente H solo puede dar una salida positiva o negativa de valores fijos, por medio de la técnica PWM sinusoidal, se consigue que el valor medio sea sinusoidal y añadiendo una bobina a la salida (o si la carga es inductiva por ejemplo un motor) se produce un efecto de filtrado de la corriente.

P2.9 En un filtro LC pasivo de un convertidor de potencia, ¿cuál será la función de C y L?

Con la energía que almacenan en su interior: El condensador (C) se opone a las variaciones de su voltaje, generando una corriente IC = C dVC/dt : filtra el voltaje. La bobina (L) se opone a las variaciones de su corriente, generando un voltaje VL = L dIL/dt: filtra la corriente.

P2.7 ¿Qué estrategias nos permiten reducir el rizado a la salida de convertidores de potencia?

Las 2 estrategias son aplicables a la salida de los convertidores DC/DC, como a los DC/AC y que también incluyen a los AC/AC. 1) Incrementar la frecuencia de conmutación: consigue reducir el rizado a la salida del convertidor, ya que para el mismo filtro (misma pendiente del diente de sierra del rizado) reducimos el tiempo de subida y bajada, reduciendo su amplitud. 2) Añadiendo filtros pasivos: una inductancia en serie (L) y/o una capacidad (C) en paralelo a la salida, permite reducir la pendiente del diente de sierra del rizado, reduciendo su amplitud.

P2.5 Nombrar una ventaja y un inconveniente de las fuentes de alimentación DC lineales respecto a las conmutadas.

Tienen la ventaja de tener el FF mejor del mercado. Por contra, el rendimiento es incluso muy malo cuando VENTRADA >> VSORTIDA y son del todo desaconsejables para grandes potencias.

P2.4 Explicar el problema que supone construir fuentes de alimentación DC utilizando un rectificador monofásico con un condensador muy grande a la salida.

El problema es para la red de suministro eléctrico (parte AC), no para el consumidor (parte DC). El condensador hace que solo se consuma corriente eléctrica de la red en el máximo de la onda sinusoidal (y en el mínimo si el rectificador es de onda completa), cuando se carga el condensador. De manera que aumenta la caída de tensión en las líneas y transformadores de suministro solo en los picos de la onda y la deforma, generando armónicos que sobrecalientan los diferentes dispositivos de la red de suministro.

P2.2 ¿Cuál es el factor de forma de una señal DC? ¿Y de una AC?

FF = VRMS / VDC DC VRMS = VDC FF = 1 AC VDC = 0 FF → ∞ Conclusión: cuanto más se acerca a 1 el FF de una señal, es más continuo y tiene menos oscilaciones.

Encoders Incrementales y Absolutos

Encoders Relativos o Incrementales

Miden desplazamientos o velocidades angulares, aunque también pueden ser lineales. Funcionan mediante perforaciones en un disco, que interrumpen un haz de luz o usan sensores magnéticos para generar una señal digital on/off. Con un contador digital, se pueden medir:

• Posición (contando pulsos).
• Velocidad (a partir de la frecuencia de pulsos).

Limitación: La posición es relativa, ya que el contador se pone a cero al inicio.

Encoder en cuadratura

Usa dos canales (A y B) para determinar el sentido de giro. El orden de los pulsos en A y B indica si el giro es horario o antihorario.

Encoders Absolutos

Dividen el disco en sectores codificados de forma única, proporcionando una posición absoluta en todo momento. Usan código Gray en lugar de binario, evitando errores de transición (glitch). Desventaja: Baja resolución en comparación con los encoders incrementales comerciales, que pueden alcanzar hasta 10⁶ CPR.

En resumen, los encoders incrementales son más usados para medir velocidad y movimiento relativo, mientras que los encoders absolutos permiten conocer la posición exacta sin necesidad de un punto de referencia inicial.

Sensores de Temperatura

RTD (Resistive Temperature Detector) Basados en el cambio de resistencia de los metales con la temperatura. Pt100 (platino) es la más usada por su alta linealidad y precisión. Rango de medida: hasta 1000°C. Sensibilidad: baja (0,385 Ω/°C), pero estable.

NTC (Negative Temperature Coefficient) Hecho de material cerámico, económico pero no lineal. Muy sensible a temperaturas ambientales. Rango limitado: ±100°C.

Termopares (Thermocouples) Funcionan por el efecto Seebeck: una diferencia de temperatura genera un voltaje en mV. Necesitan un amplificador para acondicionar la señal. Rango de temperatura amplio, como los RTD, pero con más sensibilidad. Tipos comunes:

• K (Ni-Cr / Ni): Buena linealidad, muy usado.
• B (Pt-Rh / Pt-Rh): Mayor rango de temperatura.