TEMA 4 TRANSDUCTORES: SENSORES Y ACTUADORES

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1 TEMA 4 TRANSDUCTORES: SENSORES Y ACTUADORES 1 - SENSORES RESISTIVOS Detectores de temperatura resistivos (RTD) Este tipo de sensores (cuyas siglas corresponden a Resistive Temperature Detector) se basan en una propiedad de algunos metales, que hace que su resistencia varíe en función de la temperatura a la cual se ven sometidos. Muchas veces, esta variación es lineal. Los metales que se suelen utilizan son el Pt (Platino), y el Ni (Níquel). Pueden ser de dos tipos: NTC (Negative Temperature Coefficient) en el caso de que la resistencia disminuya con el aumento de temperatura. PTC (Positive Temperature Coefficent) en caso contrario, es decir, su resistencia aumenta a medida que aumenta la temperatura. La resistencia de la RTD se caracteriza como: R = R 0 (1 + α T) R = R 0 (1 - α T) (PTC) (NTC) T = (T - T 0 ) = (T - 273) donde la temperatura a que se encuentra la RTD se expresa en grados Kelvin. De esta forma, cuando T = 273K (0 ºC), entonces tenemos que R = R 0, por lo que R 0 es la resistencia a cero grados centígrados. La sensibilidad (S) es la pendiente de la curva de calibración: R(T) = R 0 (1 + α(t - T 0 )) = R 0 + R 0 α(t - T 0 ) = R 0 + R 0 αt - R 0 αt 0 dr(t)/dt = R 0 α En concreto para la RTD no utilizamos este resultado, sino S = (d R(T)/dT)/R 0 = α El parámetro α se denomina coeficiente de temperatura Ajuste El principal problema que plantean este tipo de sensores consiste en que, en caso de montarlos a distancia del circuito de control, la resistencia del cable empleado contribuye a modificar la resistencia del propio sensor alterando el valor medido. Ello 1

2 obliga a recalibrar el sensor una vez instalado para compensar adecuadamente esta desviación. Otra posibilidad para compensar esta desviación consiste en emplear un conexionado de cuatro hilos en lugar de dos, como el mostrado en la Figura 1. Con esto se consigue que la corriente que fluye a través de los cables de conexión del sensor con la unidad de control (medida) sea insignificante y que apenas contribuya a modificar la medición que resultará, por tanto, prácticamente independiente de la longitud de cable empleada. Para que se dé esta circunstancia es necesario que la impedancia de entrada del instrumento de medida R instr sea mucho mayor que la resistencia del sensor. Figura 1 Uso de un conductor de 4 hilos para eliminar la contribución de la resistencia del cable Termistores El termistor también varía su resistencia eléctrica en función de la temperatura, como la RTD, pero con la diferencia de que esta variación no es lineal, sino exponencial. Al igual que los sensores RTD, los termistores también pueden ser del tipo NTC o del tipo PTC. R= R e B( ) T T 0 Otra diferencia es que T 0 no es la temperatura a cero grados centígrados, sino que es la temperatura ambiente expresada en grados Kelvin : T 0 = 25 ºC = = 298 K Cuando T = 298K (25 ºC), entonces tenemos que R = R 0, por lo que R 0 es la resistencia a temperatura ambiente (25 ºC). Para el termistor no se suele emplear la definición habitual de sensibilidad, sino que al igual que sucede con las RTD se emplea una sensibilidad relativa a la resistencia del propio termistor, lo cual podría considerarse una normalización: 2

3 dr( T ) S = dt R 0 B = 2 T La dependencia no lineal del valor de la resistencia del termistor con la temperatura hace aconsejable emplear montajes que permitan obtener cierto grado de linealidad Linealización del termistor mediante resistencia en paralelo Se puede aumentar la linealidad de un termistor añadiendo una resistencia en paralelo de valor R. La resistencia resultante R p presenta una linealidad mayor y una menor dependencia con la temperatura, es decir, una menor sensibilidad. El valor de la resistencia equivalente del conjunto termistor-resistencia en paralelo sería (llamando R T a la resistencia del termistor): RRT Rp = R + R donde puede apreciarse que, aunque la función R T es exponencial, al figurar tanto en el numerador como en el denominador, el comportamiento del circuito resultante se ha linealizado considerablemente. La sensibilidad pasará a corresponder a la variación de R p (la resistencia equivalente), que podemos expresar como la derivada de R p respecto de la temperatura T, y por lo tanto: T dr dt p 2 R ( R + R = 2 T ) drt dt Como podemos ver, la variación respecto de la temperatura de la resistencia equivalente es menor que la del termistor sin linealizar, dado que el factor 2 R R + R ( T ) 2 es siempre menor que la unidad. Por otro lado, la resistencia equivalente R p es más lineal respecto de la temperatura. Ganamos en linealidad, pero a costa de reducir la sensibilidad Linealización del termistor mediante divisor de tensión En este caso se confecciona un divisor de tensión conectando en serie el termistor y una resistencia R y alimentando el conjunto con una fuente de tensión V tal como muestra la Figura 2. 3

4 Figura 2 Linealización del termistor mediante divisor de tensión La tensión de salida V s la medimos precisamente en la resistencia R (es decir, será la caía de tensión producida por esta resistencia ya que se encuentra conectada a la referencia de potencial): 1 1 B( ) T T0 R( T ) = R0e = R0 f ( T ) Denominando f(t) a la expresión exponencial para simplificar: V R 1 1 = V = V = V s R f ( T ) R R0 f ( T ) 1 kf ( T ) R donde hemos definido k como R 0 /R y será el parámetro que modelará la forma de la curva linealizada. A medida que aumenta el valor de k, la curva característica del termistor pasa a ser más lineal pero, como en el caso anterior, a costa de perder sensibilidad. Tenemos que: V 1 = V = F( T V s kf ( T ) + 1 ) donde, nuevamente para simplificar, hemos llamado F(T) a la fracción que, además, representa la sensibilidad del sistema. Normalmente se pretenderá que 0 F( T ) 1. A partir de esto, se fijará k de forma que el comportamiento del termistor sea lo más lineal posible en el intervalo de temperaturas en que se empleará Potenciómetros El potenciómetro lo podemos ver como dos resistencias, una de valor R p x (donde 0 x 1) y la otra de valor R p (1 - x) = R p α. Evidentemente, cuando se utiliza como resistencia variable, es decir, empleando solamente una de sus dos ramas (en cuyo caso se denomina reostato), no hace falta hacer los cálculos con ambos valores sino que basta utilizar uno de los dos, por ejemplo R p x. Este efecto se consigue mecánicamente montando un cursor deslizante que recorre una resistencia de valor fijo R p (habitualmente consistente en una película de material conductor) dividiéndola en dos partes complementarias, como muestra la Figura 3. 4

5 Figura 3 Esquema de un potenciómetro Existen gran variedad de potenciómetros dependiendo de la aplicación a que se destinan. Ello implicará determinadas características relativas a la precisión, potencia admitida, durabilidad, resistencia mecánica de giro, número de vueltas, tipo de mecanismo, etc. A continuación se presenta una clasificación en función de diferentes criterios. Atendiendo al desplazamiento del cursor pueden ser: Circulares: El desplazamiento del cursor se consigue girando un eje al que está unido. Con el movimiento, el cursor recorre la resistencia que posee forma circular. Lineales: El cursor realiza un movimiento rectilíneo a lo largo de una guía. Existe la posibilidad de que el mecanismo que acciona el cursor consista en un tornillo y que, por lo tanto, el movimiento del mando del cursor sea circular mientras que el desplazamiento de éste es lineal. Las técnicas empleadas para obtener la pista conductora que el cursor recorrerá se reducen a dos posibilidades: Película depositada: Sobre un soporte aislante se deposita una película formando una pista que será recorrida por el cursor. Es posible obtener potenciómetros de tamaño muy reducido. Permiten una regulación continua. Bobinados: En este tipo la resistencia se obtiene arrollando un cable conductor (con una conductividad no muy elevada para que el cable no tenga que ser muy largo) alrededor de un soporte aislante (cerámico, plástico, etc). Soportan corrientes elevadas pero su tamaño es muy grande. Además la resistencia obtenida no es regulable de forma continua, sino en incrementos del valor de la resistencia de una espira. Como inconveniente específico cabe destacar una elevada inductancia debida a su forma de bobina, que les hace inadecuados para señales de alta frecuencia. Las cuales, combinadas con diferentes materiales de la pista conductora darán lugar a las siguientes posibilidades: Película depositada de carbón: Están constituidas por carbón coloidal (negro de humo), mezclado en proporciones adecuadas con baquelita y plastificantes. Dan lugar a potenciómetros de reducido tamaño con escasas posibilidades de disipación de potencia (máximo 2W) y tolerancias estándar de 10% y 20%. Permiten una regulación continua. Su coste es muy reducido. Como 5

6 desventaja específica se puede señalar una dependencia no despreciable con la temperatura del valor de la resistencia ofrecida por la película de carbón. Película depositada metálica: Las capas de estos tipos de resistencias están formadas en base a mezclas de óxidos de estaño y antimonio depositadas sobre un soporte generalmente de vidrio. El cursor, como en las de capa de carbón, suele ser de aleaciones de cobre y oro o plata, tomando los terminales de salida en contactos metalizados practicados sobre la capa. Permiten dispar potencias algo más elevadas (hasta 4W) con unas tolerancias bajas (1%, 2% y 5%) y muy buena linealidad (0,05%). SU coste es elevado. Película depositada tipo Cermet: La capa está constituida por mezcla aglomerada de materiales vítreos y metales nobles, depositada sobre un substrato de cerámica. Suelen presentarse en tamaños reducidos, adecuados para ajustes dada la gran precisión y linealidad que alcanzan, sobre todo los modelos lineales multivuelta. Este tipo de potenciómetros destinados a montaje en circuito impreso para permitir ajustes del mismo se denominan trimmers (sean cuales sean sus características). Bobinados de pequeña disipación: La constitución de este tipo de resistencias es muy parecida a la de las resistencias bobinadas fijas. Suelen usar los mismos materiales, aleaciones Ni-Cu para pequeños valores de resistencia, y Ni-Cr para valores altos. Su principal aplicación es la limitación de corriente en circuitos serie, por lo que se pueden denominar reostatos, aunque la potencia que pueden aguantar no es muy elevada, por lo que también los encontraremos en aplicaciones como potenciómetros. Los valores estándar que se pueden conseguir por este método son limitados, resultando como máximo de 50 KΩ. Pueden disipar potencias de hasta 8W y se presentan en tolerancias de 5% y de 10%. Bobinadas de potencia: Se pueden comparar a los modelos vitrificados de alta precisión de las resistencias fijas. Este tipo de resistencias son las que realmente se denominan reostatos, capaces de disipar elevadas potencias aplicadas como limitadores de corriente. El rango de valores que se puede obtener es limitado, dependiendo de la potencia máxima a disipar y puede ser de como máximo de 5 KΩ para 100W y 10 KΩ para 250W si bien la potencia disipada puede llegar a los 1000W y su temperatura máxima de funcionamiento a los 200 ºC. Se presentan en tolerancias de 5% y de 10%. Bobinadas de precisión: En este tipo se usan aleaciones metálicas de pequeña resistividad (Au-Ag) en lugar de aumentar el diámetro del hilo y así conseguir pequeños valores con reducidas dimensiones. Por sus aplicaciones, a este tipo se les suele denominar trimmers bobinados. Llegan a disipar potencias de 1,5W, con valores de resistencia limitados a un máximo de 100KΩ y tolerancias de 1% y de 5%. Se pueden presentar en montajes multivuelta con una resolución de Ω. El comportamiento respecto de la linealidad puede ser, como se muestra en la Figura 4: Lineal: El valor de resistencia obtenido es proporcional a la posición del cursor con una constante de proporcionalidad que le confiere comportamiento lineal. Logarítmico: La relación entre la posición del cursor y la resistencia obtenida es logarítmica, de forma que la posición del cursor es proporcional al logaritmo 6

7 de la resistencia. Este tipo de potenciómetros son de utilidad cuando actúan sobre la frecuencia o la amplitud de una señal acústica, ya que el oído humano percibe ambas magnitudes de forma logarítmica y eso hace que la acción sobre el potenciómetro nos parezca lineal. Se obtienen depositando una película de grosor variable. Antilogarítmico: Para conseguir el efecto contrario al del caso anterior. Log-Antilog: Presenta comportamiento logarítmico en una mitad del recorrido del cursor y antilogarítmico en la otra mitad, resultando coincidir en su valor medio con uno de comportamiento lineal. Figura 4 Comportamientos de un potenciómetro respeto de la linealidad Galgas extensiométricas Sirven para medir la presión o el esfuerzo aplicado, y se basan en que al someter la galga a presión se produce en ella una variación de su longitud y el diámetro de su sección, y por lo tanto, varía su resistencia eléctrica. Debido a esto, la resistencia que presentará la galga extensiométrica corresponderá a un valor inicial R 0 más un incremento debido a la deformación R, de forma que: R = R + R = R0(1 + 0 x donde R 0 es nuevamente la resistencia a temperatura ambiente, normalmente considerada de 25 ºC = 298 K. A su vez, x representa el incremento de resistencia ) 7

8 sufrido por la galga como consecuencia de la deformación, empleando como unidad la resistencia de la galga en reposo. Figura 5 Puente de Wheatstone para galga extensiométrica Para que exista linealidad debe cumplirse que x << k+1. Dado que ello implica que las modificaciones en la resistencia de la galga son extremadamente pequeñas, se emplea el método del Puente de Wheatstone para su medición, ya que aporta una gran sensibilidad y precisión en la medida. La Figura 5 muestra un ejemplo de dicha configuración cuya razón de ser radica en la comparación del divisor de tensión formado por las resistencias R 1 y R 4 con el formado por R 2 y R 3 (la galga extensiométrica). La relación que cumplirán las resistencias que forman el puente cuando éste se encuentre equilibrado será: R 1 = R 4 R R 2 3 Dado que R 1, R 2 y R 4 son resistencias conocidas, se puede despejar el valor de la resistencia de la galga como: R2 R4 R3 = R1 La sensibilidad, a su vez, vendrá dada por la expresión: dvs S = dr 3 Pero para que esto se cumpla es imprescindible que el puente se encuentre equilibrado, para lo cual habrá que modificar el valor de una de las resistencias conocidas y mantener el equilibrio cuando R 3 varíe. Otra opción consiste en emplear una configuración que se encuentre en equilibrio en una situación de reposo y que entregue una señal proporcional a la variación de la resistencia R 3. Para que la relación de proporcionalidad sea lineal se puede emplear un montaje como el mostrado en la Figura 6. 8

9 Figura 6 Linealizador para puente de Wheatstone Supóngase, para simplificar, que R 1 =R 2 =R 4 =R 0. La entrada no inversora del operacional (v + ) está conectada directamente al divisor de tensión formado por R 1 y R 4 que son 1 iguales, por lo cual v+ = vref. El resto del circuito consiste en una fuente de tensión 2 conectada mediante R2 a la entrada inversora del operacional (v - ) y una realimentación entre ésta y la salida v out. Considerando que la corriente que recorre R 2 es la misma que recorre R 3 (empleando la técnica habitual de análisis de amplificadores inversores con operacionales) el comportamiento de este circuito puede expresarse como: vref v v vout I R = = = I 2 R0 R0(1 + x) R 3 expresión de la cual se puede despejar v out para obtener: v x = 2 out v ref que constituye una dependencia lineal del voltaje de salida del circuito con la variación del valor de la resistencia de la galga extensiométrica Fotorresistencias La LDR (Light Dependent Resistor), también conocida como fotorresistencia o fotoconductor, es un sensor cuya resistencia eléctrica varía en función de la intensidad de luz que recibe. El funcionamiento de este semiconductor se basa en que al incidir fotones sobre el dispositivo, entonces el semiconductor los absorbe en forma de energía, de manera que los electrones de la banda de valencia saltan a la de conducción, siempre que la luz incidente tenga la suficiente frecuencia, o en otras palabras, la suficiente energía. El resultado es, por lo tanto, la disminución de la resistencia eléctrica del dispositivo, dado que el electrón libre (y el hueco asociado) se genera en la banda de conducción. Podemos dividir las fotorresistencias en dos tipos, que son los dispositivos intrínsecos, y los extrínsecos. 9

10 En el caso de los intrínsecos, los únicos electrones que tienen la capacidad de saltar a la banda de conducción están situados en la banda de valencia, y necesitan una elevada energía para pasar a la banda de conducción. Los extrínsecos se dopan con impurezas, por lo que los electrones adquieren una energía inicial mayor que en el caso intrínseco, y por lo tanto, es necesaria una energía (frecuencia, intensidad) menor para pasar a la banda de conducción. La resistencia LDR se caracteriza como: R donde: R Resistencia de la LDR α = AE A, α Dependen del semiconductor utilizado E Densidad superficial de energía recibida Otros transductores resistivos Existen otros tipos de sensores resistivos aunque por su limitado uso pueden considerarse más exóticos que los vistos. Se comentan a continuación magnetorresistencias e higrómetros resistivos Magnetorresistencias Se trata de dispositivos cuya resistencia varía en función de la dirección e intensidad del campo magnético en que se encuentran inmersos. Normalmente se emplean como detectores de presencia combinados con imanes fijos o con electroimanes y con una circuitería de comparación que genera una salida todo-nada Higrómetros resistivos Están compuestos por un sustrato cerámico aislante sobre el cual se deposita una matriz de electrodos. Estos electrodos se cubren con una sal sensible a la humedad embebida en una resina (polímero). La resina se recubre entonces con una capa protectiva permeable al vapor de agua. A medida que la humedad penetra la capa de protección, el polímero resulta ionizado y estos iones se movilizan dentro de la resina aumentando su conductividad. El porcentaje de humedad relativa del ambiente puede entonces obtenerse midiendo la resistencia del sensor. Para ello se emplean tanto métodos basados en corriente continua (puente de Wheatstone) como alterna (frecuencia resonancia de un circuito RC). 10

11 2 - SENSORES DE REACTANCIA VARIABLE Y ELECTROMAGNÉTICOS Sensores capacitivos Un condensador es un dispositivo capaz de almacenar carga eléctrica, compuesto por dos placas conductoras paralelas separadas una distancia d por un material aislante denominado dieléctrico. Se define su capacidad como la carga eléctrica que hay que almacenar en el condensador para que la diferencia de potencial entre sus dos placas sea de un voltio. q C = V También lo podemos definir a partir de la relación entre la superficie de las placas y la distancia entre ellas, multiplicado por la constante dieléctrica del material que separa las placas. S C = ε d donde: S d ε Área de las placas conductoras Distancia entre placas conductoras Constante dieléctrica (depende del dieléctrico) Condensador variable Un condensador variable suele consistir en un condensador con una de sus placas fija y la otra móvil. La configuración más habitual consiste en que las dos placas tienen forma de semicírculo y poseen un eje común. Haciendo girar la placa móvil se puede variar la cantidad de superficie de ambas placas que queda enfrentada y, por tanto, la capacidad del condensador resultante. Este tipo de condensadores suele emplearse para sintonizar la frecuencia de resonancia de circuitos de alterna, pero también puede utilizarse para detectar el giro de un eje en función de la capacidad Condensador diferencial Se trata de un sensor construido a partir de dos condensadores que comparten una misma placa central, que es móvil. Esta última será unida mecánicamente al sistema cuyo desplazamiento se desee medir. De esta forma, la placa central podrá desplazarse acercándose a una de las placas fijas mientras se aleja de la otra o viceversa. Llamando x a la distancia que la placa central se desvía de su posición de reposo, se puede expresar la capacidad de cada uno de los dos condensadores como: C 1 S = ε d + x C 2 = ε d S x 11

12 Cuando este eje está en la posición central entonces x = 0, mientras que a medida que se va moviendo, va cambiando el valor de x, y por lo tanto, la capacidad de los dos condensadores asociados. Así pues, este tipo de sensor puede emplearse para medir pequeños desplazamientos lineales o vibraciones Sensores inductivos Inductancia (también denominada inductancia propia) es la propiedad de un circuito o elemento de un circuito para retardar el cambio en la corriente que lo atraviesa. El retardo está acompañado por absorción o liberación de energía y se asocia con el cambio en la magnitud del campo magnético que rodea los conductores. En cualquier circuito, todo flujo magnético alrededor de los conductores que transportan la corriente, pasa en la misma dirección a través de la ventana formada por el circuito. Cuando el interruptor de un circuito eléctrico se cierra, el aumento de corriente en el circuito produce un aumento del flujo. El cambio del flujo genera un voltaje en el circuito que se opone al cambio de corriente. Esta acción de oposición es una manifestación de la Ley de Lenz en virtud de la cual cualquier voltaje magnético inducido se generará siempre en una dirección tal, que se opone a la acción que lo causa. La inductancia se simboliza con la letra L y se mide en henrios (H). Su representación gráfica consiste en un conductor con forma de espiras, algo que recuerda que la inductancia se debe a un conductor ligado a un campo magnético. La fuente del campo magnético es la carga en movimiento, o corriente. Si la corriente varía con el tiempo, también el campo magnético varía con el tiempo. Un campo que varía con el tiempo induce a un voltaje en cualquier conductor presente en el campo. El parámetro de circuito de la inductancia relaciona el voltaje inducido con la corriente. La magnitud del voltaje inducido en cualquier bobina, por un flujo magnético variable es proporcional al número de vueltas de la bobina y a la velocidad de variación del flujo a través de su ventana. Esta relación se conoce como Ley de Faraday. Expresada en términos matemáticos: dφ e l = N dt donde: e Voltaje inducido en la bobina (V) N Número de vueltas conectadas en serie en la bobina dφ/dt Velocidad de variación El signo negativo proviene de la Ley de Lenz, e indica que el voltaje se genera en una dirección opuesta al cambio de flujo que lo causa. Debido a su acción de oposición, el voltaje inducido magnéticamente se denomina frecuentemente fuerza contraelectromotriz. Un cambio en la magnitud o dirección de la corriente en cualquier conductor o bobina siempre establecerá un voltaje en una dirección opuesta al cambio. Por tanto la 12

13 dirección de la tensión inducida dependerá de si la corriente está aumentando o disminuyendo. Asimismo, cualquier cambio de la velocidad del flujo de electrones en un conductor en una bobina establecerá un voltaje que podrá retardar, pero no evitar dicho cambio Basados en una variación de reluctancia La reluctancia puede entenderse como la resistencia de un medio al paso de la corriente magnética, es decir, a que lo atraviesen las líneas de fuerza de un campo magnético. Esta magnitud depende de las características del material o medio que atraviesen las líneas de campo magnético y puede registrar variaciones simplemente con que los objetos inmersos en un campo magnético se desplacen unos respecto de otros. Esta variación de la reluctancia puede originar cambio en la resistencia eléctrica del material de que está compuesto el sensor y permitir la detección del movimiento que la originó Basados en corrientes de Foucault El principio de funcionamiento se basa en la generación de un campo electromagnético de alta frecuencia, que es producido por una bobina resonante. Figura 6 Sensor de corrientes de Foucault La bobina forma parte de un circuito oscilador, que en condiciones normales, es decir, cuando no hay en las proximidades objetos metálicos que alteren el campo magnético, genera una señal senoidal. Cuando un metal se aproxima al sensor, éste absorbe parte de la energía del campo magnético invirtiéndola en generar las corrientes superficiales denominadas de Foucault, disminuyendo la amplitud de la señal generada por el oscilador. La variación de la amplitud de la señal de salida del sensor es convertida en una señal continua, que comparada opcionalmente con un valor referencial, permite entregar un 13

14 valor de salida del tipo todo/nada que indica la detección de proximidad por parte del sensor Transformadores diferenciales (LVDT) El transformador lineal de voltaje diferencial (LVDT) es un dispositivo comúnmente utilizado para medir desplazamiento lineal. Todos los LVDTs consisten en una bobina estacionaria y un núcleo que puede desplazarse libremente en su interior como muestra la Figura 7. La bobina estacionaria está dividida en tres secciones: una bobina primaria central (C) y dos bobinas secundarias laterales - izquierda (I) y derecha (D) - con sus espiras arrolladas en sentidos inversos. El núcleo es de un material altamente magnético y de longitud inferior al conjunto de las bobinas para que pueda desplazarse linealmente en su interior. Cuando se aplica una señal alterna a la bobina central, se inducen sendas corrientes en las bobinas laterales a través del núcleo magnético. Cuando éste se encuentra en posición central las corrientes inducidas en las bobinas secundarias son iguales pero en fases que difieren en 180º, dados los sentidos de arrollamiento inversos de sus respectivas espiras. Así pues, uniendo las dos bobinas laterales se conseguirá que ambas corrientes se cancelen y que con el núcleo en posición central no se registre señal alguna en la salida del LVDT. Figura 7 Transformador lineal de voltaje diferencial Cuando el núcleo magnético se desplaza hacia uno de los extremos de su recorrido, la corriente inducida en la bobina secundaria correspondiente es mayor que la de la otra bobina, dado que el acoplamiento inductivo es mayor. Como consecuencia de este comportamiento, en la salida del LVDT se obtendrá una corriente eléctrica de intensidad y sentido proporcionales al desplazamiento del núcleo magnético del sensor Transformadores variables Un transformador se denomina variable cuando uno de sus bobinados permite el cambio del número de espiras que participan en la acción transformadora. Esta modificación se realiza normalmente desplazando un cursor similar al de los potenciómetros bobinados. 14

15 La variación de la relación de transformación implica que el voltaje de salida del transformador es proporcional a la posición del cursor selector de número de espiras. Este dispositivo se suele emplear en aplicaciones de potencia, donde las corrientes involucradas presentan valores elevados Sensores electromagnéticos Se trata de dispositivos que basan su comportamiento en la relación existente entre electricidad y magnetismo, en que los campos eléctrico y magnético se inducen mutuamente según una serie de leyes enunciadas por Faraday y Lenz, entre otros Basados en la ley de Faraday Un ejemplo ilustrativo de la ley de Faraday es el de una espira cuadrada que atraviesa una región donde existe un campo magnético uniforme, como se muestra en la Figura 8. Es este caso se pueden observar los siguientes comportamientos: Cuando la espira se introduce en el campo magnético, se produce una f.e.m. (fuerza electromotriz) que se opone al incremento del flujo del campo magnético a través de dicha espira y ello tiene como consecuencia la aparición de una corriente eléctrica entre los terminales de la espira. Cuando la espira está introducida en dicha región, el flujo es constante y no se produce f.e.m. alguna Cuando la espira sale de dicha región, el flujo a través de la espira disminuye y se produce una f.e.m. que se opone a la disminución de flujo con la consiguiente corriente eléctrica de sentido inverso a del primer punto. Figura 8 Representación de la Ley de Faraday También se observa la aparición de fuerzas ( F r ) tales que cuando la espira entra o cuando sale de dicha región, la fuerza que ejerce el campo magnético sobre la corriente inducida en la espira se opone al movimiento de la espira (Ley de Lenz). Estos fenómenos han servido para desarrollar los motores y generadores eléctricos encargados de la transformación de corriente eléctrica en movimiento y viceversa. 15

16 Basados en el efecto Hall En un conductor, como el mostrado en la Figura 9, por el que circula una corriente, en presencia de un campo magnético perpendicular al movimiento de las cargas, aparece una separación de cargas que da lugar a un campo eléctrico en el interior del conductor perpendicular al movimiento de las cargas y al campo magnético aplicado. Figura 9 Representación del efecto Hall Los sensores de efecto Hall se basan en este principio para producir pequeñas variaciones de voltaje cuando el metal en cuestión se desplaza por el interior del campo magnético. Se emplean especialmente para detectar movimiento sin contacto, por ejemplo en algunos tipos de teclados de altas prestaciones. 3 - SENSORES GENERADORES Esta familia de dispositivos comprende todos aquellos transductores tales que, ante una magnitud determinada, generan una corriente eléctrica de intensidad o voltaje proporcional a la citada magnitud. Ello significa que no es necesario disponer de una fuente de energía eléctrica para alimentarlos, sino que ellos mismos producen esa señal que, en el peor de los casos, deberá ser amplificada para adaptarla a los niveles eléctricos del sistema de medida Sensores termoeléctricos: termopares Un termopar es un dispositivo capaz de convertir la energía calorífica en energía eléctrica su funcionamiento se basa en los descubrimientos hechos por Seebeck en 1821 cuando hizo circular corriente eléctrica en un circuito, formado por dos metales diferentes cuyas uniones se mantienen a diferentes temperaturas. Esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos metales diferentes cuando una corriente circula a través de la unión y el efecto Thompson que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperaturas. Efecto Seebeck: Cuando las uniones de dos conductores se unen por sus extremos para formar un circuito, y se colocan en un gradiente de temperatura, se manifiesta un flujo de calor y un flujo de electrones conocido como corriente de Seebeck. La fuerza electromotriz (FEM) que genera dicha corriente se conoce como fuerza electromotriz de termopar o tensión de Seebeck. 16

17 Efecto Peltier: Descubierto por Jean C. A. Peltier en 1834, consiste en el calentamiento o enfriamiento de una unión entre dos metales distintos al pasar corriente por ella. Al invertir el sentido de la corriente se invierte también el sentido del flujo de calor. Este efecto es reversible e independiente del contacto. Depende sólo de la composición y de la temperatura de la unión. Efecto Thompson: Descubierto por William Thompson (Lord Kelvin) en , consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo con temperatura no homogénea por el que circula una corriente. El calor liberado es proporcional a la corriente y por ello, cambia de signo al hacerlo el sentido de la corriente. Se absorbe calor si la corriente y el calor fluyen en direcciones opuestas, y se libera calor si fluyen en la misma dirección. Es decir, la fuerza electromotriz es proporcional a la temperatura alcanzada por la unión térmica. Así mismo, si se resta el calentamiento óhmico, que es proporcional al cuadrado de la corriente, queda un remanente de temperatura que en un sentido de circulación de la corriente es positivo y negativo en el sentido contrario. El efecto depende de los metales que forman la unión. La combinación de los dos efectos Peltier y Thompson, es la causa de la circulación de corriente al cerrar el circuito en el termopar. Esta corriente puede calentar el termopar y afectar la precisión en la medida de la temperatura, por lo que durante la medición debe hacerse mínimo su valor. Estudios realizados sobre el comportamiento de termopares han permitido establecer tres leyes fundamentales: Ley del circuito homogéneo. En un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor. Ley de los metales intermedios. Si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura 'A' a otro 'B', la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los conductores metálicos intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto directo 'A' y 'B'. Ley de las temperaturas sucesivas. La f.e.m. generada por un termopar con sus uniones a las temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de la f.e.m. del termopar con sus uniones a T1 y T2 y de la f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a las temperaturas T2 y T3. Por estas leyes se hace evidente que en el circuito se desarrolla una pequeña tensión continua proporcional a la temperatura de la unión de medida, siempre que haya una diferencia de temperaturas con la unión de referencia. Los valores de esta f.e.m. están tabulados en tablas de conversión con la unión de referencia a 0ºc. Hay 7 tipos de termopares conocidos como E, S, T, J, K, B y R cuya clasificación depende de la composición química de los mismos. Las combinaciones correspondientes a las denominaciones citadas se encuentran en la Tabla 1. 17

18 TIPO METAL A METAL B S Platino 10% Rhodio Platino R Platino 13% Rhodio Platino B Platino 6% Rhodio Platino 13% Rhodio T Cobre Constantán J Acero Constantán K Cromel Alumel E Cromel Constantán Tabla 1 Tipos de termopares donde los tipos S, R y B se dice que corresponden al grupo de los metales nobles y los tipos T, J, K y E al de los metales base. A continuación se relacionan algunas de las características propias de cada uno de los diferentes tipos de termopares: Los termopares tipo R, S y E se emplean en atmósferas oxidantes y temperaturas de trabajo de hasta 1500 ºC. Si la atmósfera es reductora, el termopar debe protegerse con un tubo cerámico estanco. El termopar tipo T, tiene una elevada resistencia a la corrosión por humedad atmosférica o condensación y puede utilizarse en atmósferas oxidantes o reductoras. Puede medir temperaturas entre -200 a +260 ºC. El termopar tipo J, es adecuado en atmósferas con escaso oxígeno libre. La oxidación de el hilo de hierro aumenta rápidamente por encima de 550 ºC, siendo necesario un mayor diámetro del hilo hasta una temperatura límite de 750 ºC. El termopar tipo K, se recomienda en atmósferas oxidantes y a temperaturas de trabajo entre 500 y 1500 ºC. No debe ser utilizado en atmósferas reductoras ni sulfurosas a menos que esté adecuadamente protegido con una funda cerámica. El termopar tipo E puede usarse en vacío o en atmósfera inerte o medianamente oxidante o reductora. Este termopar posee la f.e.m más alta por variación de temperatura y puede usarse para medir temperaturas entre -200 a +900 ºC Sensores piezoeléctricos La palabra piezo procede del griego y significa apretar, estrechar u oprimir. En 1880 Jacques y Pierre Curie descubrieron que al aplicar presión a un cristal de cuarzo se establecían cargas eléctricas en éste. Denominaros a este fenómeno efecto piezoeléctrico. Más tarde verificaron que aplicando un campo eléctrico al cristal, éste se deformaba, con lo cual denominaron este fenómeno efecto piezoeléctrico inverso. Los materiales que poseen la propiedad piezoeléctrica pueden utilizarse, por tanto, para convertir energía eléctrica en mecánica y viceversa. Tras el descubrimiento del efecto piezoeléctrico por parte de los hermanos Curie, pasaron varias décadas antes de que fuese aprovechado en los sensores ultrasónicos de radar en submarinos durante la Primera Guerra Mundial. En la actualidad se emplea el 18

19 efecto piezoeléctrico en la fabricación de encendedores (para hacer saltar la chispa que inflamará el gas) o en sensores de básculas de precisión, mientras que el fenómeno inverso es de utilidad para la obtención de zumbadores (aplicando una tensión alterna) o para bombas de precisión (por ejemplo en los inyectores de las impresoras de chorro de tinta) Sensores piroeléctricos Cuando la temperatura de un cristal varía uniformemente (se calienta o se enfría), o es sometido a una tensión unidireccional, se puede producir un desplazamiento de los iones positivos respecto de los negativos, de tal manera que el cristal se polariza eléctricamente. Este efecto se conoce como piroelectricidad en el caso de un cambio de temperatura, o piezoelectricidad si se debe a una tensión unidireccional. De hecho, el proceso que tiene lugar es similar en ambos casos, ya que al modificar la temperatura se expande o se retrae anisotrópicamente, y este ligero movimiento de los átomos unos respecto de los otros da lugar al desplazamiento de las cargas que en ciertas direcciones pueden ocasionar polarización eléctrica Sensores fotovoltaicos Los SFV (Sistemas Foto Voltaicos) tienen como elemento esencial la celda solar. La celda solar es un dispositivo de conversión directa, esto es, transforma la radiación solar directamente en electricidad (los dispositivos de transformación indirecta utilizan uno o más procesos de conversión intermedia para generar electricidad). Las celdas solares funcionan gracias al efecto fotovoltaico que, como su nombre indica, consiste en la generación de un voltaje por efecto de la luz. El efecto fotovoltaico fue descubierto en 1839 en celdas electrolíticas por Becquerel y en sólidos (Selenio) en 1877 por Adams y Day. En 1883, Fritts describió la primera celda fotovoltaica de selenio. Estas celdas se emplean aún hoy en día en instrumentos de medición de luz, debido a la similitud entre la sensibilidad espectral de esta celda y la del ojo humano. En 1930, Schottky desarrolló la teoría que sirvió para explicar el efecto fotovoltaico y Lange sugirió las celdas solares como dispositivos adecuados para la generación de electricidad. En 1932, Audubert y Stora descubrieron el efecto fotovoltaico en el CdS. Durante los años 30 y 40 se desarrolló una gran actividad investigadora con Germanio (Ge) y Silicio (Si). El efecto fotovoltaico en el Si fue descubierto por Ohl en Gracias al desarrollo de la tecnología de difusión, trece años después Pearson, Fuller y Chapin de los Laboratorios Bell desarrollaron la primera celda práctica de Silicio, con una eficiencia del 6%. Las celdas solares alcanzaron ya en 1958 una eficiencia de 14% bajo condiciones de irradiación terrestre. El esfuerzo realizado en la época estaba encaminado a mejorar la adaptación de estos dispositivos como generadores en satélites espaciales. El primer satélite dotado de celdas solares fue uno soviético lanzado en mayo de 1958, seguido dos meses después por el Vanguard I norteamericano. 19

20 Durante el período , el programa espacial norteamericano demandó 80 kwp /año. La eficiencia de las celdas aumentó y para 1970 el precio de las celdas había descendido de aproximadamente 400 US$/Wp a una cifra entre 100 y 200 US$/Wp. También aparecieron en escena nuevos materiales para celdas solares. En 1954 se observó el efecto fotovoltaico en un contacto de Cu-CdS y en una película de CdS (Sulfuro de Cadmio) en contacto con Aluminio y Oro. El año de 1954 puede entonces ser considerado como el del nacimiento de las celdas solares tanto de silicio como de película delgada. Las celdas de silicio se desarrollaron a partir de entonces más rápidamente que las de película delgada pero éstas ya presentaban en esa época, características que las hacían interesantes. Durante el período muy pocos avances se lograron, siendo los más importantes quizás, la primera evidencia del efecto fotovoltaico de las celdas de Cu2S- CdS, el rendimiento del 13 % alcanzado en celdas de GaAs (Arseniuro de Galio), las primeras celdas de CdS depositadas por aerosol, el 8 % de eficiencia en celdas de CdS evaporadas. También aparecieron en 1963 las celdas de CdTe (Teluro de Cadmio) con eficiencias de 6 %. Las celdas de CdS y CdTe dominaron hasta mediados de los setenta el panorama de las celdas de película delgada. En 1973 ocurrieron dos reuniones importantes y un hecho que resultaron muy valiosos para el desarrollo de la tecnología fotovoltaica. La realización de la UNESCO de la conferencia The Sun in the Service of Mankind (Julio) y el Workshop on Photovoltaic Conversion of Solar Energy for Terrestrial Applications (Octubre). En el primero se discutió el estado del arte de las aplicaciones de la energía solar y en el segundo se trazaron las líneas de I&D (Investigación y Desarrollo) en USA, líneas entre las que se contaban las celdas de Silicio, CdS, de otros materiales y sistemas. El hecho fue la famosa crisis de energía de 1973 que motivó la búsqueda de nuevas fuentes de energía y el lanzamiento de programas de I&D en las naciones industrializadas. A partir de este año se han alcanzado importantes logros. En ese mismo año, Lindmayer inventó la celda violeta de alta eficiencia (15%) y se comenzaron a vislumbrar posibilidades más reales para que las celdas solares pudieran entrar en el mercado de las aplicaciones terrestres. Se fundaron entonces las primeras compañías fabricantes de celdas solares (en 1973 Solarex y en 1975 Solar Technology International, llamada posteriormente Arco Solar Power y hoy en día, Siemens Solar Industries). Las celdas de película delgada atrajeron rápidamente la atención por sus posibles ventajas en los equipos espaciales (bajo peso, flexibilidad), a pesar de sus bajas eficiencias y estabilidad muy limitada. Las celdas de CdS-Cu2S alcanzaron eficiencias de laboratorio entre 8 y 10% y se intentaron producir industrialmente (SES - Solar Energy Systems, Newark, Delaware, USA y NUKEM, Hanau, Alemania), pero los problemas de estabilidad y las limitadas posibilidades de controlarla terminaron con esos proyectos. Si bien estas celdas no se desarrollaron posteriormente, a partir de 1975 las celdas de película delgada recibieron un notable impulso. En este año se obtuvo la celda cristalina n-cds/p-cuinse2 (CIS: CuInSe2) con una eficiencia del 12% y al año siguiente la primera celda de película delgada de estos materiales. En 1976 también aparece el Si-a 20

21 (Silicio amorfo) como material para celdas y se superaron varios problemas en el desarrollo de las celdas de CdTe. En la década de 1980 aumentó en general la eficiencia de diferentes tipos de celdas. El aumento de la eficiencia de las celdas de Si y módulos solares fueron posibles gracias al desarrollo de novedosos conceptos y a la aplicación de modernas tecnologías. Algunos de estos conceptos son: La texturización de la superficie de la celda, el concepto BSF (Back Surface Field), el BSR (Back Surface Reflector), el HLE (High-Low-Emitter) y el PESC-Concept (Passivated Emitter Solar Cell) inventado por M.A. Green. En relación con la eficiencia de las celdas solares, hay que ser cuidadoso con los resultados que se anuncian pues existe una gran diferencia entre: Celdas de laboratorio (se trata de mini celdas de áreas generalmente inferiores a 1 cm²). Módulos de I&D (los resultados de estos módulos no son reproducibles para grandes cantidades). Módulos comerciales (la potencia anunciada se ha determinado antes de la estabilización de los módulos). Recientemente, el concepto PESC ha sido mejorado y se han introducido nuevos conceptos como son PERC (Passivated Emitter Rear Contact Cell), PERL (Passivated Emitter, Rear Locally diffused cell), LG-BC (Laser Grooved-Buried Contact). Con estas tecnologías se han alcanzado eficiencias récord de celdas de Si-c (Silicio Cristalino) de 24,2% y de módulos de 20,5%. 4 - SENSORES DIGITALES Este tipo de sensores se caracterizan porque su señal de salida es directamente utilizable por un dispositivo digital, sin adaptaciones ni conversiones Codificadores de posición También denominados encoders, son dispositivos que transforman un desplazamiento o rotación en una información digital de valor numérico proporcional al citado desplazamiento. Dependiendo del tipo de aplicación, puede resultar necesario conocer la posición del elemento móvil (cursor o eje giratorio) o simplemente su desplazamiento respecto de la última posición referenciada. Ello da lugar a dos tipos de codificadores Incrementales o relativos Un detector incremental simplemente informa al sistema digital de que se produce un desplazamiento o rotación en el elemento móvil, aportando información de la cuantía del mismo. Dependiendo de la aplicación se proporcionará información del sentido de desplazamiento o no. Un ejemplo de codificador de posición digital incremental sin información de dirección puede ser un sensor del giro de una rueda para un sistema ABS (Anti-lock Braking 21

22 System) cuyo cometido consiste en impedir que el sistema de frenos actúe con demasiada fuerza sobre la rueda con el consiguiente bloqueo de la misma y pérdida de direccionabilidad del vehículo. En este caso, solamente es necesario conocer la velocidad de giro de la rueda y es indiferente que ésta gire hacia delante o hacia atrás, con lo cual el sensor solamente proporcionará una cantidad fija de pulsos por vuelta cuya frecuencia indicará la velocidad de giro de la rueda. En caso de que resulte de interés conocer el sentido de desplazamiento del elemento móvil (por ejemplo en un sistema de posicionamiento en coordenadas relativas) el sensor puede entregar la información con dos bits: uno que indicará el sentido de giro y otro que equivaldrá al visto anteriormente donde el desplazamiento es codificado mediante pulsos Absolutos En caso de que resulte necesario conocer la posición absoluta del elemento móvil (por ejemplo en el posicionamiento de una articulación de un robot) la información ofrecida por el sensor de posicionamiento puede consistir en la codificación en binario con un determinado número de bits del ángulo de giro del elemento móvil. Esto da lugar a un inconveniente que consiste en que las codificaciones en binario natural de valores decimales consecutivos difieren entre sí en más de un bit. Ello podría tener como consecuencia que el sistema digital interpretase incorrectamente la información recibida cuando el cambio de varios bits se descompone en una secuencia de cambios de un bit atravesando por tanto valores intermedios erróneos. Por ejemplo, al pasar de 1 (01) a 2 (10) cambiando los valores de los bits uno a uno, se tiene que producir el valor intermedio 3 (11) si el primer bit cambia antes que el segundo o 0 (00) si lo hace antes el segundo. Para evitar estas situaciones erróneas se ideó el código Gray que lleva el nombre de su inventor y que se presenta en la Tabla 2. Dicho código se consigue haciendo corresponder al 0 decimal el valor 0 binario y al 1 decimal del 1 binario. Para obtener codificaciones de dos bits se antepone un cero a ambos (para el 0 y el 1) y se copian los valores de 1 bit en orden inverso anteponiéndoles un 1. Repitiendo el proceso se obtiene el código Gray para cualquier número de bits. Se observa que todo valor difiere del anterior y del siguiente únicamente en un bit. Incluso el último valor de la tabla difiere del primero en un solo bit. DECIMAL GRAY DECIMAL GRAY Tabla 2 Código Gray de cuatro bits 22

23 5 - OTROS MÉTODOS DE TRANSDUCCIÓN Fotodiodos y fototransistores Los fotodiodos son diodos de unión PN cuyas características eléctricas dependen de la cantidad de luz que incide sobre la unión. En la Figura 11 se muestra su símbolo circuital. Figura 11 Símbolo circuital del fotodiodo El efecto fundamental bajo el cual opera un fotodiodo es la generación de pares electrón-hueco debido a la energía luminosa. Este hecho es lo que le diferencia del diodo rectificador de silicio en el que solamente existe generación térmica de portadores de carga. La generación luminosa, tiene una mayor incidencia en los portadores minoritarios, que son los responsables de que el diodo conduzca ligeramente en inversa. El comportamiento del fotodiodo en polarización inversa se ve claramente influenciado por la incidencia de luz. Conviene recordar que el diodo real presenta unas pequeñas corrientes de fuga de valor I S. Las corrientes de fuga son debidas a los portadores minoritarios, electrones en la zona P y huecos en la zona N. La generación de portadores debido a la luz provoca un aumento sustancial de portadores minoritarios, lo que se traduce en un aumento de la corriente de fuga en polarización inversa tal y como se ve en la Figura 12. Figura 12 Curvas características de un fotodiodo El comportamiento del fotodiodo en polarización directa apenas se ve alterado por la generación luminosa de portadores. Esto es debido a que los portadores provenientes del dopado (portadores mayoritarios) son mucho más numerosos que los portadores de generación luminosa. Para caracterizar el funcionamiento del fotodiodo se definen los siguientes parámetros: Se denomina corriente oscura (dark current), a la corriente en polarización inversa del fotodiodo cuando no existe luz incidente. 23