1.1 Desarrollo Histórico de mecatrónica


La mecatrónica es una ciencia capaz de  aplicar y administrar  novedosos  sistemas  de alta calidad para dar soluciones a las necesidades del país y contribuir con el desarrollo de la humanidad.





Historia y evolución

A pesar de que no se puede hablar de fechas exactas, el crecimiento de la mecatrónica ha sido evidente. Históricamente el proceso se divide en tres etapas básicas que son
•  Primera etapa: Finales de 1978-comienzo de 1980. Fue el periodo en el cual se introdujo el término en el medio industrial, y se buscó su aceptación. En esta etapa, cada una de las ingenierías que ahora abarca la mecatrónica se desarrollaba independientemente.
•  Segunda etapa: Década de 1980. Inicia la integración sinérgica de los componentes actuales (mecánica, electrónica, informática), se consolida la interdisciplinariedad de la nueva ciencia y se acuña el término a partir de la experiencia inicial en Japón.
•  Tercera etapa: Finales de la década de 1980 – Década 1990. Dicho periodo puede considerarse como el que inicia la era de la mecatrónica, y se basa en el desarrollo de la inteligencia computacional y los sistemas de información. Una característica importante de esta última etapa es la miniaturización de los componentes en forma de micro procesadores y micro sensores, integrados en sistemas micro electromecánicos o en mi cro mecatrónica. Actualmente la era digital dirige el rumbo de la mecatrónica, aplicada al desarrollo de software y hardware para computadores, de máquinas y sistemas inteligentes, y de automatizaciones industriales.

En el siguiente video puede encontrar de una manera más detallada de la historia de la mecatrónica:


Mecatrónica hoy
Televisores, sistemas de fax, cámaras fotográficas, impresoras, lavadoras, microondas, vehículos automáticos, robots, maquinaria automatizada capaz de funcionar por sí sola y realizar diferentes tareas, son sólo algunas de las soluciones que se fabrican gracias a la aplicación de la mecatrónica. La integración de más de una disciplina en la creación de un producto, permite que éste sea desarrollado con un nivel de ‘inteligencia’ importante.
Gracias a la mecatrónica y su desarrollo, en las últimas décadas por ejemplo, los países altamente industrializados como Estados Unidos y Alemania, han podido contar con un ritmo de crecimiento cada vez más acelerado debido a la implementación de las máquinas de control computarizado, que han permitido, mejorar escasamente la producción. De igual forma, los robots, los sistemas flexibles de automatización, así como los sistemas de automatización integrada de la producción (computer integrad manufacturing CIM), han permitido sustituir en un alto porcentaje, la fuerza laboral no calificada.


1.2 Panorama general de la carrera de ingeniero en mecatrónica

La necesidad de crear procesos de manufactura, bienes de capital y productos cada vez más especializados en el área industrial, así como la creación de productos y sistemas mecánicos de uso cotidiano, ha llevado al hombre a trabajar en forma multidisciplinaria para la creación de dichas tecnologías. La integración cada vez más creciente de los sistemas diseñados y creados con la mecánica y la electrónica han llevado a la fusión de estas disciplinas formándose una nueva llamada mecatrónica, que es la integración sinérgica de la mecánica de precisión, el control electrónico inteligente y la tecnología de la información en el diseño y manufactura de productos y procesos.




Ésta representa la nueva generación de tecnología, necesaria para realizar el trabajo en una gran variedad de ambientes automatizados, principalmente en fábricas, oficinas y hogares. 

Actualmente se reconoce que el futuro en la innovación tecnológica vendrá con la optimización de la unión entre los sistemas electrónicos y los sistemas mecánicos. Esta unión es ya un hecho en algunas aplicaciones de manufactura avanzada, sistemas de producción y en el diseño de productos.



El campo laboral de los ingenieros mecatrónicos está compuesto no sólo por aquellas industrias en donde se utiliza el control, la automatización, la robótica y el diseño de máquinas, sino  también por aquellas donde se realiza el diseño de productos. Se requieren expertos en mecatrónica cuyos conocimientos les permitan dominar el proceso completo de diseño de productos y procesos, respondiendo así a las necesidades de la nación y la industria.

1.3 Perfil y campo de desarrollo del ingeniero en mecatrónica



El Mecatrónico es un líder de proyectos de diseño, construcción e implantación de  nuevos productos o procesos inteligentes que requieran de conocimientos de mecánica  de precisión, instrumentación electrónica, ingeniería de control y diseño computarizado  aplicados principalmente a la manufactura, servicios y enseres.


Su mayor cualidad es saber conocer y aplicar la combinación perfecta de las diferentes tecnologías para crear nuevos productos inteligentes y liderar equipos de proyectos  conformados por diferentes tipos de ingenieros, aprovechando las ventajas de conocimientos especializados de cada uno de ellos para realizar complejos sistemas  que un sólo tipo de ingenieros no podría hacer, pues se tiene el conocimiento clave de 
cómo integrar cada uno de ellos.





Puede trabajar en diversas áreas dentro de las industrias. El IMT trabajará en  industrias donde se emplee alta tecnología de manufactura; tal es el caso de las compañías manufactureras de productos electrónicos (Thomson Consumer Electronics, Nortel Networks, Celestica, etc.); de ensamble y diseño automotriz (Delphi, Chrylser, VW); y, en general, toda industria que haga uso o diseñe equipos mecánicos de alta  precisión en el que se integre el uso de nuevas tecnologías de control automático. También puede trabajar en empresas donde se requiera optimizar el proceso de producción mediante el uso de tecnología avanzada, o en áreas de diseño de producto donde se requiera de integración de tecnologías de automatización, robótica,  electrónica y mecánica.

El campo de trabajo actual y potencial del ingeniero mecatrónico es muy amplio, ya que  va desde la automatización de operaciones en microempresas hasta la completa  automatización y control de líneas de producción en grandes empresas, desde el diseño de productos sencillos de uso cotidiano hasta el diseño de sofisticados equipos con tecnología de punta. 



El ingeniero mecatrónico trabaja en ámbitos relacionados con la mecánica de precisión, los sistemas de control electrónicos y los sistemas de información computarizados, tanto en el sector público como en el privado, de producción y de servicios, diseñando, controlando e implantando dichos sistemas. 
Otras áreas laborales se ubican en las industrias manufacturera, petrolera, de generación de energía eléctrica, minera, siderúrgica, agroindustrial, de alimentación y salud, así como en los servicios de transporte.  

También es posible el ejercicio independiente de la profesión; la formación de su propia empresa; el trabajo en centros de investigación y en instituciones de educación superior.




1.4 Conceptos de ciencia e ingeniería

Es sumamente importante el tener claro que la ciencia no es lo mismo que la ingeniería, pero van de la mano una de la otra.

La ciencia se encarga de hacer descubrimientos por investigación controlada, formular hipótesis y buscar la teorización de las causas, por otro lado la ingeniería se encarga de elaborar invenciones, diseños y operaciones aplicando todas las teorías de la ciencia para crear artefactos que faciliten la vida humana. 



Una persona de ciencia y un ingeniero necesitan desarrollar destrezas experimentales, tener ideas lógicas así como saber resolver problemas, construir y diseñar herramientas innovadoras, aunque sus áreas de trabajo e investigación varíen un poco.

Algunas diferencias entre ciencia y ingeniería son:
- En la ingeniería se busca la eficacia, en la ciencia la verdad.
-El científico contrasta teorías el ingeniero las utiliza
-La meta de la ciencia es conocer y la de la ingeniería es conocer el medio para hacer.
-La ciencia para el ingeniero es una herramienta.



Este último concepto es muy importante ya que gracias a él nos podemos dar cuenta que un ingeniero en mecatrónica necesita de la ciencia para llevar a cabo su misión como ingeniero y hacer uso de las teorías propuestas por él mismo para poder innovar y hacer más tecnológico el mundo actual.

2.1 Sensores y transductores


El término sensor se refiere a un elemento que produce una señal relacionada con la cantidad que se está midiendo. Por ejemplo, en el caso de un elemento para medir temperatura mediante resistencia eléctrica, la cantidad que se mide es la temperatura y el sensor transforma una entrada de temperatura en un cambio en la resistencia. Con frecuencia se utiliza el término transductor en vez, de sensor. Los transductores se definen como el elemento que al someterlo a un cambio físico experimenta un cambio relacionado. Es decir, los sensores son transduclores.


 Terminología del funcionamiento
Los Siguientes términos se emplean para definir el funcionamiento de los transductores y, con frecuencia, el de los sistemas de medición como un todo.

Rungo y margen.
 El rango de un transductor define los límites entre los cuales puede variar la entrada. El margen es el valor máximo de la entrada menos el valor mínimo.

Error.
El error es la diferencia entre el resultado de una medi­ción y el valor verdadero de la cantidad que se mide.
Error = valor medido - valor real

Exactitud.
La exactitud es el grado hasta el cual un valor produ­cido por un sistema de medición podría estar equivocado. Es por lo tanto, igual a la suma de todos los errores posibles más el error en la exactitud de la calibración del transductor.

Sensibilidad.
 La sensibilidad es la relación que indica qué tanta salida se obtiene por unidad de entrada, es decir, salida/entrada.

Error por no linealidad.
Este error se define como la desviación máxima respecto a la linea recta correspondiente. Para expresar numéri­camente el error por no linealidad se utilizan varios métodos.

Repetibilidad/Reproducibilidad.
 Los términos repetibilidad y reproducibilidad se utilizan para describir la capacidad del transductor para producir la misma salida después de aplicar varias veces el mismo valor de entrada. Cuando ya no se logra obtener la misma salida después de aplicar el valor de entrada, el error se expresa como un porcentaje de la salida a rango total.

Estabilidad.
La estabilidad de un transductor es su capacidad para producir la misma salida cuando se emplea para medir una entrada constante en un periodo.

Banda/tiempo muerto.
 La banda muerta o espacio muerto de un transductor es el rango de valores de entrada durante los cuales no hay salida.
Resolución.
Cuando la entrada varía continuamente en todo el rango, las señales de salida de algunos sensores pueden cambiar a pequeños intervalos.

Impedancia de salida.
Cuando un sensor que produce una salida eléctrica se vincula con un circuito electrónico, es necesario co­nocer la impedancia de salida dado que ésta se va a conectar en serie o en paralelo con dicho circuito. Al incluir el sensor, el comportamiento del sistema con el que se conecta podría modi­ficarse de manera considerable.

Características estáticas y dinámicas
Las características estáticas son los valores obtenidos cuando se presentan condiciones de estado estable, es decir, valores obtenidos una vez que el transductor se estabiliza después de recibir cierta en­trada. La terminología anterior se refiere a este tipo de estado. Las características dinámicas se refieren al comportamiento entre el momento en que cambia el valor de entrada y cuando el valor que produce el transductor logra su valor de estado estable. Las caracte­rísticas dinámicas se expresan en función de la respuesta del trans­ductor a entradas con determinadas formas.

Tiempo de respuesta.
Es el tiempo que transcurre después de aplicar una entrada constante, una entrada escalón, hasta que el transductor produce una salida correspondiente a determinado porcentaje.

Constante de tiempo.
Es el 63.2% del tiempo de respuesta.

Tiempo de subida.
 Es el tiempo que requiere la salida para llegar a un porcentaje especificado de la salida en estado estable.

 Desplazamiento, posición y proximidad                      
Los sensores de desplazamiento miden la magnitud que se desplaza un objeto; los sensores de posición determinan la posición de un objeto en relación con un punto de referencia. Los sensores de proximi­dad son una modalidad de sensor de posición y determinan en qué momento un objeto se mueve dentro de una distancia crítica del sen­sor. Los anteriores son dispositivos cuyas salidas son, en esencia, del tipo todo o nada (encendido o apagado).
Al elegir un sensor de desplazamiento, posición o proximidad, deberá tenerse en cuenta lo siguiente:
1.    La magnitud del desplazamiento
2.    Si el desplazamiento es lineal o angular.
3.    La resolución que se necesita.
4.    La exactitud que se necesita.
5.    El material del que está hecho el objeto que se mide.
6.    El costo.

Sensor potenciométrico
Un potenciómetro es un elemento resistivo que tiene un contacto deslizante que puede desplazarse a lo largo de dicho elemento. Éste se puede utilizar tanto en desplazamientos lineales como rotaciona­les; dicho desplazamiento se convierte en una diferencia de poten­cial.



Elemento con deformímetro
El deformímetro de resistencia eléctrica es un alambre metálico, una cinta de papel metálico o una tira de material semicon­ductor en forma de oblea que se adhiere a la superficie como si fuese una estampilla postal. Cuando se somete a un esfuerzo, la resistencia R cambia, y el cambio de resistencia ΔR/R es proporcional al esfuer­zo



Codificadores ópticos
Un codificador es un dispositivo que produce una salida digital como resultado de un desplazamiento lineal o angular. Los codifica­dores de posición se clasifican en dos categorías: codificadores de incremento, los cuales detectan cambios en la rotación a partir de una posición de datos y codificadores absolutos, que proporcionan la posición angular real.

Sensores neumáticos
Los sensores neumáticos utilizan aire comprimido, y el desplaza­miento o la proximidad de un objeto se transforman en un cambio en la presión del aire.
Estos sensores se usan para medir desplazamientos de fracciones de milímetros.


Velocidad y movimiento
Los siguientes son ejemplos de sensores que sirven para monitorear velocidades lineales y angulares y detectar el movimiento. Entre las aplicaciones de los detectores de movimiento figuran los sistemas de seguridad utilizados para detectar la presencia de intrusos, así como juegos y aparatos interactivos; como las pantallas de los cajeros au­tomáticos que se activan cuando alguien se aproxima a ellos.

Codificador diferencial
El codificador diferencial descrito  se usa para medir la velocidad angular determinada por la cantidad de pulsos producidos por segundo.

Tacogenerador
El tacogenerador sirve para medir la velocidad angular. Una de sus modalidades es el tacogenerador de reluctancia variable, el cual está formado por una rueda dentada de material ferromagnético uni­da a un eje giratorio.



Sensores piroeléctricos
Los materiales piroeléctricos,, son materiales cristalinos que generan una carga como respuesta al flujo calo­rífico. Si el material se calienta en un campo eléctrico a una tempera­tura justo por debajo de la temperatura de Curie, y se deja enfriar el material al tiempo que se mantiene en medio del campo, los dipolos del material se alinean y éste se polariza Los sensores piroeléctricos están formados por un cristal piroe­léctrico polarizado cuyas caras tienen delgadas capas de metal como electrodos. Dado que el cristal está polarizado con superficies carga­das, los iones son atraídos por el aire que los rodea y por los electro­nes del circuito de medición conectado al sensor para equilibrar la carga superficial.



 Fuerza
La balanza de resorte es un ejemplo de sensor de fuerza; en ella se aplica una fuerza, un peso, al platillo y ésta provoca un desplaza­miento, es decir, el resorte se estira. El desplazamiento es entonces, una medida de la fuerza. Las fuerzas por lo general se miden con base en un desplazamiento. El siguiente método ilustra lo anterior.

Indicador de presiones con deformímetro
Una modalidad muy común de transductor para medir fuerza se basa en el empleo de deformímetros de resistencia eléctrica para monitorear la deformación de cierto elemento cuando éste se estira, compri­me o dobla por la aplicación de una fuerza. A este transductor se le conoce como indicador de presiones.



Presión de fluidos
En muchos de los dispositivos utilizados para monitorear la presión de fluidos de procesos industriales se monitorea la deformación clástica de diafragmas, cápsulas y tubos. Los tipos de medi­ción que se necesitan son: presión absoluta, en cuyo caso la pre­sión que se mide es relativa a una presión cero, es decir, al vacío; presión diferencial, con la cual se mide una diferencia de presiones, y presión manométrica, en la que la presión se mide en relación con la presión barométrica.

En un diafragma hay una diferencia de presión entre ambas caras, por lo que el centro del diafragma se desplaza. Un diafragma corrugado ofrece mayor sensibilidad. El movimiento del diafragma se monitorea mediante un sensor de desplazamiento que puede ser un deformímetro. Es frecuente utilizar deformímetros de diseño especial, los cuales cons­tan de cuatro deformímetros, dos para medir el esfuerzo en la direc­ción de la circunferencia y dos en dirección radial. Los cuatro defor­mímetros se conectan de manera que formen los brazos de un puente de Wheatstone . Es posible adherir los deformíme­tros al diafragma, pero también existe la opción de hacer un diafrag­ma de silicio en el que los deformímetros son áreas especiales del diafragma con impurezas.



 Flujo de líquidos
Entre los métodos tradicionales para medir el gasto de líquidos figu­ran los dispositivos que miden la caída de presión que se produce cuando un fluido pasa por un tubo Venturi.



 Nivel de líquidos
El nivel de líquido en un recipiente se mide en forma directa monitoreando la posición de la superficie del líquido, o de manera indirecta midiendo alguna variable relacionada con la altura. En los métodos directos una posibilidad es usar flotadores; entre los indirectos figu­ra el monitoreo del peso del recipiente, utilizando, por ejemplo, indi­cadores de presión,los cambios en la altura del liquido causan cambios en el peso. Es común que en los métodos indirectos se mida la presión, en alguna parte del líqui­do, que se produce por una columna de liquido h, puesto que es igual a hpg, en donde p es la densidad del líquido

Sensores de luz
Los fotodiodos son diodos de unión hechos con semiconductores), los cuales están conectados en un circuito con polarización inversa, por lo que su resistencia es muy elevada. Cuando la luz incide en la unión, la re­sistencia del diodo disminuye y la corriente del circuito aumenta de manera notable
Los fototransistores  tienen una unión base colector p-n sensible a la luz. Cuando la luz no incide, la corriente colector-emisor es muy pequeña. Al incidir la luz, se produce una corriente de base directa­mente proporcional a la intensidad luminosa. Debido a ello se pro­duce una corriente de colector que es una medida de la intensidad lu­minosa. Es común encontrar fototransistores en forma de paquetes integrados, en los cuales el fototransistor está conectado a una configuración Darlington con un transistor convencional. Dado que con el arreglo anterior se obtiene una mayor ganancia en corriente, este dispositivo produce una corriente de colector mucho mayor para una intensidad de luz determinada.
Las fotorresistencias tienen una resistencia que depende de la in­tensidad luminosa que reciben, la cual disminuye de manera lineal con la disminución de la intensidad. La fotorresistencia de sulfuro de cadmio es la más sensible a la luz.



Selección de un sensor:
Al seleccionar un sensor para una aplicación en particular hay que considerar varios factores:
1.    El tipo de medición que se requiere.
2.  El tipo de salida que se requiere del sensor, lo cual determinará las condiciones de acondicionamiento de la señal, a fin de contar con señales de salida idóneas para la medición.
3.  Con base en lo anterior se pueden identificar algunos posibles sensores, teniendo en cuenta rango, exactitud, linealidad, velo­cidad de respuesta, confiabilidad, facilidad de mantenimiento, duración, requisitos de alimentación eléctrica, solidez, disponibilidad y costo.
La elección de un sensor no se puede hacer sin considerar el tipo de salida que el sistema debe producir después de acondicionar la señal; por ello, es necesaria una integración idónea entre sensor y acondicionador de señal.


2.2 Acondicionamiento de señales


La señal de salida del sensor de un sistema de medición en general se debe procesar de una forma adecuada para la siguiente etapa de la operación a estas modifica­ciones se les designa en general con el término acondicionamiento de señal.

Interconectándose con un microprocesador
Los dispositivos de entrada y de salida están conectados con un sis­tema de microprocesador mediante puertos. El término interfaz se refiere a un elemento que se usa para interconectar diversos disposi­tivos y un puerto. Existen así entradas de sensores, interruptores y teclados, y salidas para indicadores y actuadores.
Los microprocesadores requieren entradas de tipo digital; por ello, cuando un sensor produce una salida analógica, es necesaria una conversión de señal analógica a digital.
Hay también que considerar la salida del microprocesador, qui­zás para operar un actuador. Aquí también es necesaria una interfaz adecuada.

 Procesos del acondicionamiento de señales
Los siguientes son algunos de los procesos que se pueden presentar en el acondicionamiento de una señal:
1.    Protección
2.    Convertir una señal en un tipo de señal adecuado
3.    Obtención del nivel adecuado de la señal.
4.    Eliminación o reducción del ruido
5.    Manipulación de la señal

El amplificador operacional
El fundamento de numerosos módulos para acondicionamiento de señal es el amplificador operacional. Este es un amplificador de alta ganancia de cd, en general de 100 000 o más, y está disponible como circuito integrado en chips de silicio. Tiene dos entradas: entrada in­versora (—) y entrada no inversora (+). La salida depende de cómo se hagan las conexiones de estas entradas. Además de las anteriores, el amplificador operacional tiene otras entradas: una alimentación de voltaje negativo, una alimentación de voltaje positivo y dos entra­das conocidas como nulo del voltaje de desvío, cuyo propósito es ac­tivar las correcciones que se deben hacer por el comportamiento no ideal del amplificador.

Amplificador inversor


El inversor es un amplificador que cambia el signo o la fase del voltaje de entra. La ganancia está determinada por la relación de resistencias:

Amplificador no inversor


El no inversor es un amplificador de señal con una ganancia determinada por la relación de resistencias:




Amplificador sumador



El amplificador suma los voltajes de entrada e invierte la señal de salida:



Amplificador diferencial

Esta configuración resta los voltajes de entrada. La polaridad del voltaje de salida depende de la magnitud de los valores de entrada:



Comparador
Un comparador indica cuál de dos voltajes es mayor, y con ese fin se puede utilizar un amplificador operacional sin retroalimentación u otras componentes. Uno de los voltajes se aplica a la entrada inver­sora y el otro a la entrada no inversora. Cuando las dos entradas son iguales no hay salida. Sin embargo, cuando la entrada no inversora es mayor que la inversora por una cantidad mayor a una pequeña fracción de volt, la salida salta a un voltaje de saturación positivo estable, en ge­neral de +10 V. Cuando la entrada inversora es mayor que la no in­versora, la salida salta a un voltaje de saturación negativo estable, casi siempre de-10 V. Este tipo de circuito puede determinar en qué momento un voltaje rebasa cierto nivel, y la salida quizá se utilicen  para iniciar una acción.



 Protección
Existen diversas situaciones en las que la conexión de un sensor con la unidad siguiente, por ejemplo un microprocesador. Para protegerse contra corrientes grandes en la lí­nea de entrada se incorpora una serie de resistencias que limiten la corriente a un nivel aceptable y un fusible que se funda cuando la co­rriente excede un nivel seguro. Contra altos voltajes y polaridades equivocadas se utiliza un circuito con diodo Zener.
 Los diodos Zener se comportan como diodos comunes hasta que se pre­senta un voltaje de ruptura, a partir del cual se convierten en conduc­tores.
En algunas situaciones es deseable aislar del todo los circuitos y eliminar todas las conexiones eléctricas entre ellos. Para ello se utiliza un optoaislador.

 Filtrado
El término filtrado se refiere al proceso de eliminación de cierta ban­da de frecuencias de una señal y permite que otras se transmitan. El rango de frecuencias que pasa un filtro se conoce como banda de paso, y el que no pasa como banda de supresión; la frontera entre lo que se suprime y lo que se pasa se conoce como frecuencia de corte. Los filtros se clasifican de acuerdo con los rangos de frecuencia que transmiten o rechazan.
El término pasivo describe un filtro en el cual sólo hay resisten­cias, capacitores e inductores. El término activo se refiere a un filtro en el que también hay un amplificador operacional. Los filtros pasivos tienen la desventaja de que la corriente que absorbe el siguiente elemento puede modificar la característica de frecuencia del filtro. Estos problemas no se presentan en los filtros activos.



 El puente Wheatstone
Se utiliza para convertir un cambio de resistencia en uno de voltaje.







 Estando en balance:
                             








Cuando no se esta en balance: 
 


Señales digitales

La salida que produce la mayoría de los sensores en general es de tipo analógico. Cuando un microprocesador forma parte del sistema de medición o de control, es necesario convertir la salida analógica del sensor a una forma digital antes de alimentarla al microprocesa­dor. Por otra parte, la mayoría de los actuadores funcionan con entra­das analógicas, por lo que la salida digital de un microprocesador debe convertirse a su forma analógica antes de utilizarla como entra­da del actuador.
El sistema binario se basa sólo en dos símbolos o estados: 0 y 1. A éstos se les conoce como dígitos fonarios o bits.

Conversión de señales analógicas a digitales
Determinar la cantidad de bits que se van a utilizar
Muestreo y Retención
Tomar diferentes muestras de tensiones o voltajes en diferentes puntos de la onda senoidal a determinada frecuencia que debe ser por lo menos el doble de la señal analizada según la condición de Nyquist. Después se retiene la señal y se le asigna un valor en el sistema decimal. Para retener la señal puede utilizarse un amplificador de muestreo y retención.
Convertir a señal digital
Se le asignan a los valores numéricos su número binario correspondiente y se muestra la señal convertida.


 Multiplexores
Un multiplexor es un circuito que puede recibir datos provenientes de diversas fuentes para después al seleccionar un canal de entrada, producir una salida correspondiente a sólo uno de ellos. En las apli­caciones en que se necesita hacer mediciones en diversas ubicacio­nes, en vez de utilizar un CAD y un microprocesador para cada me­dición que se realiza, se usa un multiplexor para seleccionar cada entrada en tumo y conmutarlas a través de un solo CAD y un micro-procesador (figura 3.42). El multiplexor es, en esencia, un dispositi­vo de conmutación electrónica con el que las entradas se muestrean por turno.Existen multiplexores analógicos, digitales y por división de tiempo.

Adquisición de datos
El término adquisición de datos, o AD, describe el proceso que con­siste en tomar datos de los sensores e introducirlos en una computa­dora para procesarlos. Los sensores están conectados, por lo general después de someterlos a un acondicionamiento de señal, a una tabli­lla de adquisición de datos conectada en la parte posterior de una computadora (figura 3.45a). Se trata de una tablilla de circuito im­preso que, para entradas analógicas, cuenta con circuitos para reali­zar funciones de multiplexión, amplificación, conversión analógica a digital, registro y control, a fin de alimentar las señales digitales muestreadas en el sistema de computación. El software de la computadora controla los datos de adquisición a través de la tablilla de AD

Procesamiento de  señales digitales                               
El término procesamiento de señales digitales o procesamiento de señales de tiempo discreto se refiere al procesamiento que realiza el microprocesador de una señal. Las señales digitales son señales de tiempo discreto, es decir, no son continuas en función del tiempo, sino que existen sólo en momentos discontinuos o discretos. En el acondicionamiento de señales analógicas se necesitan componentes como amplificadores y circuitos filtro, en cambio, el acondiciona­miento de una señal digital se puede llevar a cabo mediante un pro­grama en un microprocesador, es decir, se procesa la señal. Para mo­dificar las características de un filtro usado para señales analógicas es necesario cambiar las componentes de hardware; mientras que, para modificar las características de un filtro digital basta cambiar el software, es decir, el programa de instrucciones del microprocesa­dor.
En la entrada de un sistema de procesamiento de señales digitales se recibe una palabra que representa la magnitud de un impulso y se produce la salida de una palabra distinta. Con base en el impulso de salida de un determinado instante, el sistema hace un cálculo que es el resultado del procesamiento de la entrada del presente impulso así como el producto de entradas de impulsos anteriores y, quizás, de salidas anteriores del sistema.

Modulación por pulsos
Un problema frecuente en la transmisión de señales de cd de bajo ni­vel generadas por sensores es que la ganancia del amplificador ope-racional usado para amplificar estas señales puede experimentar un desplazamiento o deriva, al igual que la salida. Este problema se puede corregir con una señal que sea una secuencia de impulsos en vez de una señal continua en el tiempo.
Una manera de realizar lo anterior es dividiendo la señal de cd. La salida del divisor es una cadena de impulsos cuyas alturas tienen relación con el nivel de cd de la se­ñal de entrada. A este procedimiento se le denomina modulación por amplitud de impulsos. Concluida la amplificación y demás acondi­cionamiento de la señal, la señal modulada se desmodula para obte­ner una salida de cd. En la modulación por amplitud de impulsos, la altura de los impulsos está relacionada con la magnitud del voltaje de cd.

Una alternativa a lo anterior es la modulación por ancho de pulso (PWM), donde el ancho, es decir, la duración del pulso y no su am­plitud es de lo que depende la magnitud del voltaje.



2.3 Sistemas de actuación (neumáticos e hidráulicos, mecánicos y eléctricos )


Los sistemas de actuadores son los elementos de los 

sistemas de control que transforman la salida de un 

microprocesador o un sistema de control en una acción de 

control para una máquina o dispositivo.




Sistemas neumáticos e hidráulicos

 Con frecuencia las señales neumáticas son utilizadas para controlar elementos de actuación final, incluso cuando el sistema de control es eléctrico. Esto se debe a que con dichas señales es posible accionar válvulas de grandes dimensiones y otros dispositivos de control que requieren mucha potencia para mover cargas considerables. La principal desventaja de los sistemas neumáticos es la compresibili­dad del aire. Las señales hidráulicas se usan en dispositivos de con­trol de mucho mayor potencia; sin embargo, son más costosas que los sistemas neumáticos y hay riesgos asociados con fugas de aceite, que no existen en una fuga de aire.

Fuentes de energía
En un sistema hidráulico la presurización del aceite se logra median­te una bomba accionada por un motor eléctrico. La válvula de alivio libera presión cuando ésta rebasa determinado nivel de seguridad; la válvula de retención evita que el aceite regrese a la bomba y el acumulador equilibra las fluctuaciones de corta dura­ción en la presión de salida del aceite. En esencia el acumulador es un recipiente que mantiene el aceite bajo presión, soportando una fuerza extema.

Fuente de alimentación hidráulica

En una fuente de energía neumática se acciona un compresor de aire con un motor eléctrico. El aire que entra al com­presor se filtra y pasa por un silenciador para reducir el nivel de rui­do. La válvula de alivio de presión protege contra un aumento de la presión del sistema que exceda el nivel de seguridad. Dado que el compresor aumenta la temperatura del aire, es posible que sea nece­sario un sistema de enfriamiento; para eliminar la contaminación y agua del aire se utiliza un filtro y un separador de agua. En el recep­tor de aire se aumenta el volumen del aire del sistema y se equilibran las fluctuaciones de presión de breve duración.

Fuente de alimentación neumática


Válvulas para control de dirección
En los sistemas neumáticos e hidráulicos se utilizan válvulas de control de dirección para controlar el sentido de flujo de un fluido que pasa por un sistema. Su función no es modificar el gasto de un flui­do, pero son dispositivos abiertos o cerrados por completo, es decir abierto/cerrado (on/off). Un tipo muy común de válvula de control de dirección es la vál­vula de carrete. Dentro del cuerpo de la válvula se desplaza un ca­rrete en forma horizontal para controlar el flujo. Otra modalidad muy común de válvula de control direccional es la válvula de vastago.

Símbolos de válvulas
Las diferentes posiciones de conexión de las válvulas de control se representan mediante un cuadrado. La siguiente imagen muestra ejemplos de algunos símbolos con los que se representan los diversos modos en que actúan las válvulas. En el símbolo de una válvula pueden presentarse uno o más de estos sím­bolos.



Válvulas operadas con pilotaje
La fuerza necesaria para accionar la bola o desplazar la válvula en ocasiones es demasiado grande para hacerlo de manera manual o mediante un solenoide. Para solucionar ese problema se utiliza un sistema accionado con pilotaje, el cual usa una válvula para contro­lar una segunda válvula. La capaci­dad de la válvula piloto es pequeña y se acciona en forma manual o mediante un solenoide. Su función es permitir que la válvula princi­pal sea operada a través del sistema de presión.



Válvulas direccionales
El flujo sólo se realiza en la dirección en la que la bola empuja al resorte. El flujo en la dirección opuesta está bloqueado porque el resorte empuja la bola y ésta ocupa su asiento.


Válvulas de control de presión
Existen varios tipos de válvulas de control de presión:
1.     Válvulas para regulación de presión
2.     Válvulas limitadoras depresión
3.     Válvulas de secuencia depresión




Cilindros
El cilindro hidráulico o neumático son ejemplos de actuadores li­neales. Los principios y configuración son los mismos, tanto para la versión hidráulica como para la neumática; las únicas diferencias son el tamaño, debido a las mayores presiones que se utilizan en I versiones hidráulicas. El cilindro consiste en un tubo cilindrico por el que se desplaza un pistón/émbolo.
El término simple acción se utiliza cuando la presión se aplica sólo en uno de los extremos del pistón; en general se utiliza un resor­te para oponerse al desplazamiento del pistón anterior. En el cilindro de simple acción, cuando una corriente pasa por el solenoide, la válvula cambia de posición y se aplica presión para desplazar el pistón por el cilindro. Cuando se interrumpe la corriente que pasa por el solenoide, la válvula vuelve a su posición inicial y se desfoga aire desde el cilindro. En consecuencia, el resorte devuelve el pistón por el cilindro.
El término doble acción se utiliza cuando se aplica presión de control a los dos lados de un pistón. La diferencia de presión entre ambos produce el movimiento del pistón, el cual se desplaza por el cilindro en alguna de las dos direcciones debido a las señales de alta presión.
La selección del cilindro dependerá de la fuerza y velocidad que se requieran para desplazar la carga.
Puesta en secuencia de cilindros
En muchos sistemas de control se utilizan los cilindros neumáticose hidráulicos como elementos de actuación que requieren una se­cuencia de extensiones y contracciones de dichos cilindros.


Sistema Secuencial


 Válvulas para el control de procesos
Las válvulas para el control de procesos permiten controlar el gasto de un fluido.
Una forma común para el control del actuador neumático que se utiliza en las válvulas para control de procesos es el actuador de dia­fragma, que en esencia consiste en un diafragma con la señal de pre­sión de entrada del controlador en un lado y en el otro, la presión atmosférica; esta diferencia de presión se conoce como presión manométrica. El diafragma está hecho de hule sujeto entre dos discos de acero. El efecto de los cambios de la presión de entrada producen el desplazamiento de la parte central del diafragma.




suponiendo que la compresión del resorte es proporcional a la fuerza aplicada, es decir, F = kx, siendo k una constante, entonces kx = PA y, por eso, el desplazamiento del vastago es proporcional a la presión manométrica.
Dimensionamiento de válvulas de control
El término dimensionamiento de válvulas de control se refiere al procedimiento para calcular el tamaño adecuado del cuerpo de una válvula.

Actuadores giratorios

Un cilindro lineal provisto de las conexiones necesarias se usa para producir movimientos rotatorios con ángulos de menos de 360°. Otra alternativa es el actuador semigiratorio, en el cual se utiliza un alabe. La diferencia de presión entre ambos puertos hace girar el alabe y el vastago, lo cual es una medida de la diferencia de presiones. Depen­diendo de éstas, el alabe gira en sentido de las manecillas del reloj o en sentido contrario a éstas.




Para giros de más de 360° se emplea un motor neumático. Un rotor exéntrico tiene ranuras que fuerzan el desplazamiento hacia fuera de los alabes, empujando las paredes del cilindro a causa de la rota­ción. Los alabes dividen la cámara en compartimentos separados cuyo tamaño aumenta desde el puerto de entrada hasta el puerto de salida. El aire que entra al compartimento ejerce una fuerza en uno de los alabes y provoca así el giro del rotor. La dirección de rotación del motor se puede invertir utilizando otro puerto de entrada.






Sistemas de actuación mecánica

Los mecanismos son dispositivos que se pueden considerar convertidores de movimiento, en lanío transforman el movimiento de una forma a otra.
Entre los elementos mecánicos están los mecanismos de barras articuladas, levas, engranes, cremalleras, cadenas, correas de trans­misión, etcétera.
Muchos de los efectos que antes se obtenían con el uso de meca­nismos en la actualidad se logran mediante sistemas de microprocesadores. No obstante, los mecanismos todavía son útiles en los sistemas mecatrónicos.
El término cinemática se refiere al estudio del movimiento sin tener en cuenta las fuerzas. Al analizar los movimientos sin conside­rar las fuerzas o energías, se dice que se hace el análisis cinemático de un mecanismo.
El movimiento de un cuerpo rígido puede ser muy complejo y su descripción resulta difícil. Sin embargo, el movimiento de un cuerpo rígido se puede considerar como la combinación de movimientos de traslación y de rotación. Considerando tres dimensiones espaciales, el movimiento de traslación seria un movimiento que se divide en componentes que coinciden con uno o más de los tres ejes. La línea rotación puede ser una rotación con componentes que gi­ran alrededor de uno o más de los ejes.
Los movimientos complejos pueden ser una combinación de mo­vimientos de traslación y de rotación.
Grados de libertad y de restricción
Un aspecto importante del diseño de los elementos mecánicos es la orientación y disposición de elementos y partes El número de grados de libertad es la cantidad necesaria de componentes de movimiento para producir el movimiento corres­pondiente. Si una articulación está limitada a desplazarse a lo largo de una línea sus grados de libertad de traslación se reducen a uno.
Uno de los problemas más importantes del diseño es reducir la cantidad de grados de libertad, lo cual requiere un número y orienta­ción idónea de las restricciones. las restricciones de un cuerpo rígido se cumple la siguiente regla básica:


Carga
Los mecanismos son estructuras y, por lo tanto, transmiten y sopor­tan cargas. Para determinar las cargas que soporta cierto elemento es necesario hacer un análisis.

Cadenas cinemáticas
Cuando se analizan los movimientos de un mecanismo sin prestar atención a las fuerzas, dicho mecanismo puede considerarse como un conjunto de articulaciones. Cada una de las parles del mecanismo que se mueve en relación con oirás se denomina articulación. Esta no tiene por fuerza que ser un cuerpo rígido, basta que sea un cuerpo resistente capaz de transmitir la fuerza requerida sufriendo una de­formación despreciable. Al conjunto de piezas de eslabonamiento y de articulaciones se conoce como cadena cinemática
La cadena de cuatro barras
Esta cadena consiste en cuatro acoplamientos conectados entre sí de manera que producen cuatro piezas de enlace, cada una de las cuales tiene la posibilidad de girar.



El mecanismo corredera eje de levas
Este mecanismo consta de un eje de levas, una biela y una corredera.En esta configuración el acoplamiento 3 está lijo, es decir, no hay movimiento relativo entre el centro de rotación del eje de le­vas y la cubierta en la que se desplaza el pistón.

Levas
Una leva es un cuerpo que gira u oscila y, al hacerlo, transmite un movimiento alterno u oscilatorio a un segundo cuerpo conocido como seguidor, con el cual está en contacto.
La leva necesaria para producir determinado movimiento del se­guidor dependerá de su forma y del tipo de seguidor que se emplee.
La leva excéntrica es circular y su centro de rota­ción está descentrado. La leva en forma de corazón  produce un desplaza­miento en el seguidor que aumenta a velocidad constante con el tiempo, antes de disminuir a velocidad constante con el tiempo, por lo que la velocidad del seguidor resulta uniforme. La leva en forma de pera produce un movimiento del seguidor estacio­nario durante casi media revolución de la leva y después asciende y desciende de manera simétrica en cada una de las cuartas partes de revolución restantes.




Trenes de engranes
Los Trenes de engranes son mecanismos muy utilizados para trans­ferir y transformar el movimiento rotacional. Se emplean cuando es necesario obtener un cambio en la velocidad, o el par de rotación de un dispositivo que está girando. El movimiento rotacional se transfiere de un eje a otro mediante un par de cilindros giratorio.




 La transferencia del movimiento entre los dos cilindros depende de la fuerza de fric­ción entre las dos superficies en contacto. Para evitar el deslizamien­to en los dos cilindros, se añaden dientes de engranaje, con lo que se obtiene un par de engranes endentados.
Los engranes transmiten el movimiento rotacional entre ejes y entre ejes inclinados entre sí. A este tipo de engrane se le conoce como en­grane recto.
El término tren de engranes compuesto se refiere a un tren de en granes cuando dos de ellos están montados en un eje común.



Un tren de engranes simple, sea de engranes de dientes rectos o helicoidales, o engranes cónicos, por lo general está limitado a una relación de engranaje total de casi 10.
Las transmisiones por correa son en esencia un par de cilindros gira­torios, donde el movimiento de uno de los cilindros se transfiere al otro me­diante una correa. En las transmisiones por correa se aprovecha la fricción que se crea entre las poleas montadas sobre los ejes y la correa que rodea el arco de contacto, y de esta manera se transmite un par de rotación.

Tipos de correa 
1.   Plana
El área transversal de esta correa es rectangular.
2.    Redonda
La sección transversal es circular y se empica con poleas con ra­nura.
3.    Banda en V
Las correas de banda en V o correas trapezoidales se utilizan en poleas con ranura.
4.    Correa dentada reguladora de tiempo
En las correas dentadas reguladoras de tiempo se necesitan rue­das dentadas, en las que cada diente encaje en las ranuras de las ruedas.
Cadenas
Para evitar deslizamientos se utilizan cadenas, las cuales se traban en los dientes de los cilindros rotacionales, lo que equivale a un par de engranes conectados.




Rueda dentada y trinquete



Las ruedas dentadas se utilizan para trabar un mecanismo cuando sostiene una carga. Este mecanismo consta de una rueda, denominada rueda dentada, con dientes en forma de sierra que se enganchan con un brazo denominado trinquete. Este está sujeto aun pivote y se mueve hacia arriba y hacia abajo para trabar la rueda. La forma de los dientes es tal que sólo permite la rotación en una dirección. El trinquete impide la rotación de la rueda dentada en el sentido de las manecillas del reloj y sólo puede hacerlo levantando el trinquete, el cual casi siempre se acciona con un resorte para garantizar que de manera automática quede trabado en los dientes de la rueda dentada.
En un malacate, que sirve para enrollar un cable en un tambor, se utilizaría un trinquete para impedir que el cable se desenrolle al levantar la palanca.



 Chumaceras
Siempre que hay desplazamiento de una superficie que está en con­tacto con otra, ya sea por rotación o deslizamiento, las fuerzas de fricción producidas generan un calor que constituye un desperdicio de energía y produce desgaste. La función de los cojinetes o chuma­ceras es guiar el movimiento de una parte respecto de otra con míni­ma fricción y máxima exactitud.
Cojinete de deslizamiento
Los cojinetes se usan para apoyar ejes rotacionales que soportan car­ga en dirección radial.
Cojinetes de bola y de rodillo
Con este tipo de cojinetes, la carga principal se transfiere del eje rotacional al apoyo mediante un contacto de rodadura en vez de un contacto por deslizamiento. 






Sistemas de actuación eléctrica

Al estudiar los sistemas eléctricos que se emplean como actuadores
de control deberán tenerse en cuenta los siguientes dispositivos y sistemas:
1.    Dispositivos de conmutación, como son los interruptores mecánicos (relevadores) y los interruptores de estado sólido (diodos, tiristores y transistores), en los que la señal de control enciende o apaga un dispositivo eléctrico
2.    Dispositivos tipo solenoide, en los cuales una corriente que pasa por un solenoide acciona un núcleo de hierro dulce
3.    Sistemas motrices, en los cuales la corriente que pasa por el motor produce una rotación.




 Interruptores mecánicos
Los interruptores mecánicos son elementos que con frecuencia se usan como sensores para producir y enviar entradas a diversos sistemas.
El releva­dor eléctrico es un ejemplo de interruptor mecánico que en los siste­mas de control se usa como actuador.

Relevadores
El relevador eléctrico responde a las señales de control mediante una sencilla acción de conmutación de encendido/apagado (on/off); la figura ilustra el principio de funcionamiento
Los relevadores de retardo son relevadores de control y su acción de conmutación se produce con un retardo, que por lo general es ajustable y se inicia al pasar una corriente por el devanado del reve­lador, o cuando deja de pasar por éste.



Interruptores de estado Sólido

Para realizar la conmutación electrónica de los circuitos se utilizan diversos dispositivos de estado sólido. Entre éstos figuran los si­guientes:
1.     Diodos
2.     Tiristores y triacs
3.     Transistores bipolares
4.     MOSFETs de potencia


Diodos
un diodo, permite el paso de una cantidad significativa de co­rriente sólo en una dirección. De ahí que, el diodo se considera como un 'elemento direccional que permite el paso de corriente sólo cuando su polarización es directa. Si el diodo tiene una polarización inversa sufi­ciente, es decir, un voltaje muy alto, causa una ruptura.

Tiristores y triacs
El tiristor o rectificador controlado por silicio (SCR, por sus siglas en inglés), es un diodo con una compuerta que controla las condiciones en las que se activa.

El triac (tiristor bidircccional) es similar al tiristor  y equivale a un par de tiristores conectados de  forma inversa y en paralelo al mismo chip. El triac se activa tanto en sentido directo como en sentido inverso; La ruptura en sentido directo ocurre cuando el voltaje aumenta hasta el valor de ruptura; a partir de ese momento el voltaje en el dispositivo permanece.

Cuando a un tiristor, o a un triac se aplica voltaje de manera súbi­ta, con la compuerta apagada, el tiristor cambia su condición de des­activación a la de activación
 Para evitar cambio brusco del voltaje de alimentación  se controla la razón de cambio del voltaje con respecto al tiempo; para ello se usa un circuito amortiguador o de frenado, el cual consta de una resistencia conectada en serie con un capacitor que se coloca en paralelo con el tiristor.



Transistores bipolares
Existen dos tipos de transistores bipolares: el npn y el pnp.. En el transistor npn la corriente principal entra por el colector y sale por el emisor y en la base se aplica una señal de control. En el transistor pnp la corriente principal entra por el emisor y sale por el colector y en la base se aplica una se­ñal de control.

La combinación de un par de transistores que permita la conmutación de un valor de corriente alto con una entrada de corriente pequeña se conoce como par de Darlinglon, el cual se puede obtener en dispositivos de un solo chip. Por lo general, un diodo de protección se conecta en paralelo con el transistor de potencia para evitar que el transistor se dañe durante su desconexión,

Cuando se utilizan actuadores controlados por transistor con un microprocesador, hay que prestar atención a la magnitud de la corriente de base requerida y a su dirección.

La conmutación de un transistor bipolar se realiza mediante corrientes de base, por lo que existe la posibilidad de utilizar frecuencias de conmutación mayores que en los tiristores. Su capacidad de manejo de potencia es menor que la de los tiristores.

MOSFETs
Hay dos tipos de MOSFETs (transistores de efecto de campo de se­miconductor de óxido metálico, por sus siglas en inglés): de canal n y de canal p; La principal diferencia  en el uso de un MOSFET para conmutación y un transistor bipolar para el mismo propósito es que no entra corrien­te a la compuerta para lograr dicho control. El voltaje de compuerta es la señal consoladora. Por lo tanto, los circuitos de excitación se simplifican dado que no es necesario ocuparse de la magnitud de la corriente.



 Solenoidos
Los solenoides se pueden usar como afinadores operados eléctrica­mente. Las válvulas de solenoide son un ejemplo de estos dispositi­vos y se utilizan para controlar el flujo de fluidos en sistemas hidráu­licos o neumáticos Cuando una corriente pasa por el devanado, un núcleo de hierro dulce es atraído hacia dicho devanado y, al hacerlo, abre o cierra puertos que controlan el flujo de un fluido.

Motores de cd
Los motores eléctricos con frecuencia se emplean como elemento de control final en los sistemas de control por posición o de velocidad, Los motores se pueden clasificar en dos categorías principales: motores de cd y motores de ca. La mayoría de los motores que se emplean en los sistemas de control modernos son motores de cd. Los principios básicos del funcionamiento de un motor son los siguientes:
1.    Cuando en un campo magnético, una corriente pasa por un conductor  se ejerce una fuerza sobre el conductor
2.    Cuando un conductor se desplaza dentro de un campo magnéti­co, sobre él se induce una f.e.m.



Principios básicos
En un motor de cd convencional, los devanados de alambre se montan en las ranuras de un cilindro de material magnético conocido como armadura. La armadura está montada en cojinetes y puede girar. Esta se monta en el campo magnético producido por los polos de campo que pueden ser, en pequeños motores, por ejemplo, imanes permanentes o electroimanes, cuyo magnetismo se obtiene mediante una corriente que circula por los devanados de campo .

Motores de cd con devanados de campo
Los motores de cd con devanados de campo se dividen en: motores en serie, en paralelo, compuestos y de excitación independiente, de pendiendo de la manera como se encuentran conectados los devanado de campo y los devanados de la armadura (
1.    Motor (con excitación) en serie
En el motor en serie, los devanados de la armadura y de los campos están en serie. Este motor produce el par de rotación de arranque de mayor intensidad y alcanza la mayor velocidad sin carga
2.    Motor en derivación (en paralelo)
En éste, los devanados de armadura y de campo están en paralelo;  genera el par de rotación de menor intensidad, en el arranque tiene una velocidad sin carga mucho menor y permite una buena regulación de la velocidad.
3.    Motor de excitación compuesta
Este motor tiene dos devanados de campo, uno en serie con la armadura y otro en paralelo. En estos motores se intenta conjuntar lo mejor del motor (excitado) en serie y del motor en paralelo, es decir, un par de rotación de inicio de valor elevado y una buena regulación de la velocidad.

4.   Motor de excitación independiente
En este motor el control de las corrientes de armadura y de cam­po es independiente y se le puede considerar como un caso espe­cial del motor en paralelo.
 La elección del motor dependerá de sus aplicaciones.

Control de motores de cd
La velocidad que alcanza un motor de imán permanente depende de la magnitud de la corriente que pasa por el devanado de la armadura.

 Motores de cd de imán permanente y sin escobillas
Un problema de los motores de cd es que requieren un colector y es­cobillas para invertir en forma periódica la corriente que pasa por cada uno de los devanados de la armadura. Las escobi­llas establecen contacto deslizante con el colector; las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas. Por ello, éstas de­ben ser reemplazadas de manera periódica y volver a recubrir el co­lector. Para evitar estos problemas se diseñaron los motores sin es­cobillas.
En esencia, estos motores constan de una secuencia de devanados de estator y un rotor de imán permanente..Un conductor por el que pasa corriente eléctrica y se encuentra en medio de un campo magnético experimenta una fuerza; asimismo, como consecuencia de la tercera ley del movimiento de Newton, el imán también experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud. En el motor de cd convencio­nal, el imán está fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento. En el motor de cd de imán permanente y sin escobillas sucede lo contrario.

Los motores de cd de imán permanente y sin escobillas se utilizan cada vez más cuando a la par se necesita un alto rendimiento, gran confiabilidad y poco mantenimiento.

Motores de ca
Los motores de corriente alterna se pueden clasificar en dos grupos: monofásicos y polifásicos, cada uno de los cuales se subdivide en motores de inducción y motores síncronos.
El motor de inducción de una fase y jaula de ardilla consta de un rotor tipo jaula de ardilla, es decir, barras de cobre o aluminio insertas en las ranuras de los aros de las extremidades para formar circui­tos eléctricos completos.

 El motor de inducción trifásico es similar al motor de inducción de una fase, sólo que tiene un estator con tres devana­dos separados 120°, cada uno conectado a una de las tres líneas de alimentación eléctrica. Como estas tres fases alcanzan sus corrientes máximas en diferentes momentos, se puede considerar que el campo magnético gira en torno a los polos del estator, completando una ro­tación durante un ciclo completo de la corriente. La rotación del campo es mucho más suave que en el motor monofásico. El motor trifásico tiene la gran ventaja sobre el monofásico de tener arranque automático. La dirección de rotación se invierte intercambiando al­guna de las dos líneas de conexión, lo que provoca el cambio de la dirección de rotación del campo magnético.


Los motores síncronos tienen estatores similares a los descritos en los motores de inducción, pero el rotor es un imán permanente.
Los motores de ca tienen la gran ventaja respecto de los motores de cd de ser más baratos, robustos, confiables y no necesitar mantenimiento. Sin embargo, el control de la velocidad es más complejo que en los motores de cd y. en consecuencia, un motor de cd con con­trol de velocidad en general es más barato que uno de ca con control de velocidad.

Motores paso a paso

El motor paso a paso es un dispositivo que produce una rotación en ángulos iguales, denominados pasos, por cada impulso digital que llega a su entrada. Existen diversos tipos de motor paso a paso:
1.    Motor paso a paso de reluctancia variable
2.    Motor paso a paso de imán permanente
3.    Motor paso o paso híbrido

Especificaciones del motor paso a paso
Los siguientes son algunos de los términos más utilizados para espe­cificar motores paso a paso:
1.   Fase
Este término se reliere a la cantidad de devanados independien­tes del estator
2.   Ángulo de paso
Se trata del ángulo que gira el rotor durante un cambio de estado en los devanados del estator.
3.   Par de retención
Es el máximo par de rotación que se puede aplicar a un motor energizado sin modificar su posición de reposo y provocar la ro­tación del eje.
4.    Par máximo de enganche
Es el par de rotación máxima con el que puede arrancar un mo­tor, dada una frecuencia de pulsos, y lograr la sincronización sin perder un paso.
5.    Par máximo de desenganche
Es el par de rotación máximo que es posible aplicar a un motor, trabajando a determinada frecuencia de pasos, sin perder su sin­cronización.
6.    Frecuencia de enganche
Es la frecuencia de conmutación máxima a la que un motor car­gado puede arrancar sin perder un paso.
7.    Frecuencia de desenganche
Es la frecuencia de conmutación en la que un motor cargado puede mantener su sincronía conforme se reduce la frecuencia de conmutación.
8.     Velocidad de progresión
Es el rango de frecuencias de conmutación entre el enganche y el desenganche con el cual el motor funciona en sincronía, pero no puede ni arrancar ni invertir su giro.

 Control de un motor paso a paso
Para conmutar la alimentación eléctrica de cd entre los pares de de­vanados del estator se utiliza electrónica de estado sólido.
Los motores bifásicos se denominan unipolares cuando tienen seis cables de conexión para generar la secuencia de conmutación

Los motores de paso se usan para producir pasos de rotación controlados, así como una rotación continua, controlando su veloci­dad de rotación mediante la frecuencia de aplicación de los pulsos que provocan el avance paso a paso.


Los motores bifásicos se denominan unipolares cuando tienen tienen seis cables de conexión para generar la secuencia de conmutación

Los motores de paso se usan para producir pasos de rotación controlados, así como una rotación continua, controlando su veloci­dad de rotación mediante la frecuencia de aplicación de los pulsos que provocan el avance paso a paso.