Elementos y Tipos de Sistemas de Control

En el ámbito de la electricidad y la electrónica, los sistemas de control son fundamentales para la automatización de procesos. Estos sistemas se componen de diversos elementos que trabajan en conjunto para mantener una variable bajo control, y se clasifican según su modo de operación.

Elementos Fundamentales de los Sistemas de Control

Todo sistema de control se basa en la interacción de los siguientes componentes principales:

• Sensores (también conocidos como detectores, captadores o transductores): Encargados de medir la variable a controlar y convertirla en una señal eléctrica.
• Controladores o Reguladores: Procesan la señal del sensor y generan una señal de control para el actuador.
• Actuadores: Reciben la señal del controlador y realizan una acción física sobre el proceso.
• Comparadores: Elementos que contrastan la señal medida por el sensor con un valor de referencia (setpoint).

Tipos de Sistemas de Control

Los sistemas de control se pueden clasificar principalmente en dos categorías:

• Bucle Abierto: La acción de control es independiente de la salida del sistema. No hay retroalimentación.
• Bucle Cerrado (o Realimentados): La acción de control depende de la salida del sistema, utilizando la retroalimentación para ajustar la operación y corregir errores.

Sensores: Detectores, Captadores y Transductores

Los sensores son dispositivos cruciales que transforman una magnitud física en una señal eléctrica. A continuación, se detallan varios tipos según la magnitud que miden:

Sensores de Posición, Proximidad y Desplazamiento

• Resistivos: Potenciómetro o Resistencia Variable

  Detectan la posición o el desplazamiento mediante la variación de su resistencia al mover un cursor, lo que a su vez modifica la tensión de salida. Un ejemplo clásico es el potenciómetro.

• Inductivos

  Operan basándose en la variación de la autoinducción. Esta se produce por el cambio en la distancia entre dos materiales magnéticos, a través de uno de los cuales circula corriente.

• Capacitivos

  Miden la variación de la capacidad eléctrica, la cual depende de la distancia entre las armaduras de un condensador.

• Final de Carrera

  Es un interruptor que modifica su estado (abierto/cerrado) al ser accionado mecánicamente por una pieza móvil, indicando el límite de su recorrido.

• Ultrasonidos (Sonar)

  Constan de un emisor y un receptor de señal ultrasónica. Miden el tiempo que tarda la señal en ir y volver, permitiendo calcular distancias al conocer la velocidad del sonido.

• Radar

  Utilizan un emisor y un receptor de señal electromagnética (luz). Al igual que el sonar, miden el tiempo de tránsito para calcular distancias, aprovechando la velocidad de la luz.

• Ópticos (Célula Fotoeléctrica)

  Suelen consistir en un emisor de infrarrojos y un detector de luz colocados de forma enfrentada. Detectan la posición o presencia al interrumpirse o variar la señal luminosa entre ellos.

Sensores de Velocidad Angular (Tacómetros y Encoders)

• Tacómetro Mecánico

  Consiste en un contador de revoluciones calibrado unido al eje a medir y un medidor de tiempos para determinar la velocidad.

• Tacómetro Centrífugo

  Utiliza un resorte que se comprime con la fuerza centrífuga generada por dos pesos unidos a un eje giratorio, proporcionando una medida calibrada de la velocidad.

• Tacómetro Eléctrico

  Existen varios tipos, todos ellos calibrados:

  • De Arrastre: Genera corrientes parásitas al girar un imán dentro de una copa de aluminio, cuya magnitud es proporcional a la velocidad.
  • De Inducción: Una bobina dentro de un campo magnético produce variaciones del flujo magnético (según la ley de Faraday-Lenz) al girar, generando una tensión proporcional a la velocidad.

• Tacómetro de Frecuencia (Encoders)

  Un detector-emisor de señal luminosa es interceptado por los dientes de un engranaje. El detector mide la frecuencia de la señal interceptada, que es directamente proporcional a la velocidad angular.

Sensores de Temperatura

• Termorresistencia

  Un hilo metálico cuya resistencia eléctrica varía de forma predecible con la temperatura. Los RTD (Resistance Temperature Detector) son un ejemplo común.

• Termistores (NTC y PTC)

  Resistencias variables con la temperatura, fabricadas con materiales semiconductores (como Germanio o Silicio). Los NTC (Negative Temperature Coefficient) disminuyen su resistencia al aumentar la temperatura, mientras que los PTC (Positive Temperature Coefficient) la aumentan.

• Termopares

  Uniones soldadas de dos metales diferentes que, al ser sometidas a una diferencia de temperatura en la soldadura, producen una diferencia de potencial (efecto Seebeck).

• Pirómetros

  Miden la energía radiante emitida por las superficies de los cuerpos, la cual varía según la ley de Stefan-Boltzmann (proporcional a la cuarta potencia de la temperatura), permitiendo medir temperaturas sin contacto.

Sensores de Presión

• Tubo en U

  Utilizado para presiones cercanas a la atmosférica. Consiste en un tubo en forma de 'U' con mercurio (Hg), un extremo abierto a la atmósfera y el otro conectado a la presión a medir. La diferencia de altura del Hg en la escala calibrada determina la presión.

• Tubo Bourdon

  Un tubo en forma de gancho, cerrado en un extremo y por el otro se le aplica la presión a medir. Se deforma (estirándose) según la presión aplicada, y esta deformación se traduce en una lectura calibrada.

• Muelle Calibrado

  Se comprime o expande según la presión aplicada, y esta deformación se mide en una escala calibrada.

• Diafragma Calibrado

  Una membrana flexible que se dilata o comprime según la presión, proporcionando una medida calibrada.

• Eléctricos

  El elemento sensible a la presión se incorpora al cursor de un potenciómetro o a las armaduras de un condensador, transformando la variación de presión en una señal eléctrica calibrada.

• Galgas Extensiométricas

  Detectan la variación de resistencia en un conductor al variar su longitud y su sección, debido a las deformaciones causadas por cambios de presión.

• Materiales Piezoeléctricos

  Materiales cristalinos que, tallados en una determinada dirección, generan cargas eléctricas (y por tanto una tensión) ante cambios de presión (efecto piezoeléctrico).

Sensores de Iluminación

• Fotorresistencias (LDR)

  Ciertos materiales semiconductores varían su resistencia eléctrica con las variaciones de luz incidente.

• Fotodiodos

  Un diodo semiconductor que, al ser expuesto a la luz, permite una conducción inversa proporcional a la intensidad luminosa.

• Fototransistores

  La acción de la luz sobre la base de estos transistores produce la conducción de los mismos, actuando la luz en lugar de una corriente eléctrica en la base.

• Barrera y Reflexión

  Sistemas que detectan la presencia o ausencia de objetos mediante la interrupción de un haz de luz (barrera, con emisor-receptor enfrentados) o la reflexión de la luz sobre una superficie (reflexión, a menudo con espejos o el propio objeto).

Actuadores o Accionadores

Los actuadores son los componentes que convierten una señal de control en una acción física, modificando el estado del sistema.

Actuadores Eléctricos

• Motor Paso a Paso

  Transforman un impulso eléctrico en un desplazamiento angular proporcional y discreto, permitiendo un control preciso de la posición.

• Servomotores

  Similares a los motores paso a paso, pero diseñados para sistemas que requieren una gran precisión en el control de posición, velocidad y par, a menudo con un sistema de retroalimentación integrado.

Actuadores Neumáticos e Hidráulicos

• Válvulas

  Regulan el caudal y/o la presión de un fluido (aire en sistemas neumáticos, aceite en hidráulicos) para controlar el movimiento o la fuerza.

• Cilindros

  Proporcionan un desplazamiento lineal (movimiento de vaivén) en función de la presión y el caudal del fluido aplicado, generando fuerza y movimiento.

Comparadores

Los comparadores son elementos que evalúan la diferencia entre dos señales, generando una salida basada en esta comparación.

• Amplificador Operacional

  Entre sus múltiples funciones, puede configurarse para comparar las diferencias de potencial (ddp) entre sus dos entradas, produciendo una salida que indica cuál entrada es mayor.

• Termostato

  Es un interruptor (que abre o cierra un circuito) activado según la temperatura. Compara la temperatura ambiente con un valor de referencia y actúa para mantenerla dentro de un rango deseado.