Electronica Industrial Moderna, 5ta Edicion - Timothy J. Maloney PDF

Preview

Summary

www.FreeLibros.me www.FreeLibros.me ELECTR O N ICA IN D U STR IA L M O D ER N A T im o th y J. M aloney Monroe County Community College Monroe, Michigan T R A D U C C IÓ N : Carlos Mendoza Barraza Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Estado de México Virgilio González y...

Description

www.FreeLibros.me

www.FreeLibros.me

ELECTR O N ICA IN D U STR IA L M O D ER N A T im o th y J. M aloney Monroe County Community College Monroe, Michigan

T R A D U C C IÓ N :

Carlos Mendoza Barraza Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Estado de México

Virgilio González y Pozo Facultad de Química Universidad Nacional Autónoma de México REVISIÓ N T É C N IC A :

Agustín Suárez Fernández Departamento de Ingeniería Eléctrica Universidad Autónoma Metropolitana. Unidad Iztapalapa

PEARSON cac

ü

Mexico • Argentina • Brasil • Colom bia • Costa R ica • Chile • Ecuador Espana • Guatemala • Panama • Peru • Puerto R ico • Uruguay •Venezuela

www.FreeLibros.me

MALONEY. TIMOTHY J. E le c tró n ic a in d u stria l m o d ern a. 5a. edición

PEARSON EDUCACIÓN, México, 2006 ISBN: 970-26-0669-1 Área: Ingeniería electrónica Formato: 20 x 25.5 cm

Páginas: 1000

Authorized translation from the English language edition, entitled Modem Industrial Electronics by Timothy J. Maloney, published by Pearson Education, Inc., publishing as Prentice Hall, Inc. Copyright © 2004,2001, 1996.1986.1979. All rights reserved. ISBN 0-13-048741-4 Traducción autorizada de la edición en idioma inglés, titulada Modem Industrial Electronics por Timothy J. Maloney, publicada por Pearson Education, Inc., publicada como Prentice Hall, Inc. Copyright © 2004,2001, 1996.1986.1979. Todos los derechos reservados. Esta edición en español es la única autorizada. Edición en español Editor: Editor de desarrollo: Supervisor de producción:

Pablo Miguel Guerrero Rosas e-mail: [email protected] Felipe Hernández Carrasco Enrique Trejo Hernández

Edición en inglés Editor in Chief: Stephen Helba Assistant Vice President and Publisher: Charles E. Stewart, Jr. Assistant Editor: Mayda Bosco Production Editor: Alexandrina Benedicto Wolf Production Coordination: The GTS Companies/York, PA Campus

Design Coordinator: Diane Emsberger Cover Designer: Jeff Vanik Cover art: Digital Vision Production Manager: Matt Ottenweller Marketing Manager: Ben Leonard

QUINTA EDICIÓN, 2006 D U . © 2006 por Pearson Educación de México, S A . de C. V. Atlacomulco 500, 5o. piso Colonia Industrial Atoto 53519 Naucalpan de Juárez, Edo. de México E-mail: [email protected] Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Núm. 1031. Prentice-Hall es una marca registrada de Pearson Educación de México, S A . de C.V. Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicación pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, sea electrónico, mecánico, fotoquímico, magnético o electroóptico, por fotocopia, grabación o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor. El préstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesión de uso de este ejemplar requerirá también la autorización del editor o de sus representantes. ISBN 970-26-0669-1

PEARSON

Impreso en México. Printed in Mexico.

cac

Desvío A/L

AND16

www.FreeLibros.me

Desvío A/P

-6 C I R C U I T O L Ó G IC O D E E S T A D O S Ó L ID O P A R A E L S I S T E M A ...

13

El circuito de determinación de peso, compuesto por el detector de peso, 0R4, AND4 e 14, es un duplicado exacto del circuito de determinación de altura. Recorra la operación de es­ tas compuertas para asegurarse que comprende su funcionamiento. Las compuertas AND 5-8 pueden ser consideradas las compuertas de clasificación. Las señales de entrada a este grupo de compuertas provienen de las salidas de los circuitos de detec­ ción de peso y altura. Cada una de las compuertas AND tiene dos entradas que representan una cier­ ta combinación de resultado de altura y peso. Por ejemplo, las dos líneas de entrada de AND5 son dos líneas que indican que (1) la parte es de tamaño bajo y (2) la parte es de peso ligero. Por esto si la parte es baja y ligera, se habilitará AND5. Si la parte es baja y pesada, se activará AND6, y así sucesivamente. Las salidas de las compuertas de clasificación AND alimentan otros dos grupos de com­ puertas AND. Primero, alimentan las compuertas AND 9, 10, 11 y 12, las cuales controlan las válvulas solenoide de pintura. Segundo, alimentan las compuertas AND 13, 14,15 y 16, las cua­ les controlan los dispositivos desviadores. Las compuertas AND 9, 10, 11 y 12 tienen la entrada 1 en común entre ellas. La entrada 1 de todas estas compuertas de control de pintura es accionada por la línea marcada en zona de pintura. Esto significa que cuando la parte ingresa a la zona de pintura todas la entradas 1 de las compuertas 9-12 pasarán a ALTO. Luego, dependiendo de la compuerta de clasificación que se active, se habilitará una de las cuatro compuertas de control de pintura. Esto a su vez activará la válvula de solenoide adecuada. Por ejemplo, si la compuerta de clasificación alto/ligero se activa (AND7), enviará un ALTO a la entrada 2 de AND 11. Cuando la parte ingrese a la zona de pin­ tura, y la línea de En zona de pintura pase a ALTO, AND 11 se habilitará. Esto activará la válvu­ la solenoide de pintura roja. La válvula solenoide permanecerá activada hasta que la línea de en zona de pintura regrese a BAJO, inhabilitando AND 11. Las compuertas de control de desvío, AND 13, 14, 15 y 16, funcionan de la misma for­ ma. Sus entradas 1 están conectadas en paralelo y son activadas por la línea de en zona de des­ vío. Cuando esta línea pasa a ALTO, una de las cuatro compuertas de control de desvío se activará, lo que habilitará la válvula solenoide de desvío adecuado. Por ejemplo, si la compuerta de clasificación alto/ligero (AND7) se enciende, aplicará un ALTO a la entrada 2 de AND 15. Cuando la línea de En zona de desvío pasa a ALTO, enviará un ALTO en la entrada 1 de AND 15. La salida de AND 15 entonces pasará a ALTO, activando el solenoide de desvío alto/ligero y oca­ sionando que el dispositivo de desvío alto/ligero en la figura l-4(b) se abra hacia fuera del trans­ portador. El solenoide de desvío permanecerá activado hasta que la línea de “en la zona de desvío” regrese a BAJO, inhabilitando a AND 15. Los circuitos en la parte superior de la figura 1-8 proporcionan las señales que indican la ubicación de la parte a medida que avanza en el transportador, particularmente las señales de en zona de pintura y en zona de desvío. A medida que una parte ingresa en la zona de pintura activa LSI, el cual aplica un ALTO de +5 V a la entrada 1 de ORI. La salida de ORI se vuelve ALTO y se bloquea así mismo al retroalimentar a AND1. Por esto, mientras la entrada 2 de AND 1 sea ALTO, la compuerta AND permanecerá activada y ORI permanecerá encendido en virtud de su entrada 2. Como se mues­ tra en el diagrama, la salida ORI no es otra que la línea de en zona de pintura. Cuando la parte abandona la zona de pintura e ingresa a la zona de desvío, se activa LS2. Esto aplica un ALTO a la entrada 1 de OR2, lo que ocasiona que la salida de OR2 pase a ALTO. La salida de OR2 realiza varias funciones. Primero, envía un ALTO a la entrada de II, lo que ocasiona un BAJO en la entrada 2 de AND1. Esto inhabilita AND 1 y rompe el bloqueo sobre ORI. La línea de en zona de pintura regresa a BAJO, y la válvula solenoide de pintura se apa­ ga. Segundo, la salida de OR2 alimenta a AND2. Ya que la entrada 2 de AND2 también está en ALTO en este momento, AND2 se enciente y bloquea a OR2. Tercero, la salida de OR2 es la se­ ña de en zona de desvío, que llega hasta la parte inferior de la figura 1-8 y activa las compuer­ tas de control de desvío, de la forma ya mencionada. Cuando la parte es guiada fuera de la banda hacia una canaleta, uno de los interruptores de límite de canaleta se activará, aplicando un ALTO a 12. La salida de 12 pasará a BAJO y apli-

www.FreeLibros.me

14

C A P ÍT U L O I E L IN T E R R U P T O R D E T R A N S I S T O R C O H O U N D IS P O S IT IV O ..

cará señales BAJO a AND2, AND3 y AND4. El BAJO sobre AND2 romperá el bloqueo sobre 0R2, permitiendo que la señal de En zona de desvío regrese a BAJO. El dispositivo de desvío que se haya abierto regresará a su posición normal. Las señales de BAJO en AND3 y AND4 in­ habilitarán tales compuertas, aplicando señales de BAJO a las entradas número 2 de OR3 y OR 4. Esto rompe el bloqueo sobre OR3 y OR4, si estuvieran bloqueados. Por tanto, los circuitos de altura y peso se remidan y se preparan para medir la parte siguiente sobre el transportador.

1-7 ■ D ISPO SITIVO S D E E N T R A D A P A R A L A L Ó G IC A D E ESTA D O SÓ LID O El circuito de la figura 1-8 muestra conexiones de interruptor directo entre el voltaje de alimentación lógico ALTO y las entradas de compuerta. Por ejemplo, LS 1 realiza una conexión directa entre la lí­ nea de alimentación de cd de +5 V y la entrada 1 de ORI. Mientras que este arreglo de interruptor es teóricamente aceptable, existen algunos motivos prácticos por lo que esto resulta una mala idea. El principal motivo es que los interruptores mecánicos nunca realizan un cierre de contactos “limpio”. Las superficies de contacto siempre “rebotan" entre sí varias veces antes de realizar un cierre permanente. Este fenómeno se denomina rebote de contactos y se ilustra en la figura 1-9. En la figura 1-9(a), cuando el interruptor mecánico se cierra para conectar el resistor R a través de la fuente de cd V, la forma de onda del voltaje a través de Äse verá como en la figura l-9(b). El tiempo transcurrido entre el contacto inicial y el cierre permanente ( - t\ en la for­ ma de onda) es por lo regular muy corto, en el orden de algunos milisegundos o menos. Aunque el rebote es muy rápido, las compuertas lógicas responden muy rápido, por lo que es posible que una compuerta se encienda y apague cada vez que se presente el rebote. El encendido y apaga­ do injustificado puede ocasionar serios malfúncionamientos en el circuito lógico.

1-7-1 Filtros de conmutación capacitiva La solución a este problema es instalar algún tipo de dispositivo de filtro entre el interruptor y la compuerta lógica. El dispositivo de filtro deberá tomar la entrada con rebote y convertirla en una salida plana. En la figura 1-10(a) se muestra un método directo para realizar esto. Cuando se cierra el interruptor de límite, el capacitor Ccomenzará a cargarse a través de la resistencia de Thevenin de R\ ||#2. Ya que los contactos del interruptor de límite se mantienen cerrados sólo durante un tiempo muy corto en el primer rebote, la acumulación de carga sobre C no será lo suficientemente grande para afectar la entrada de compuerta. Lo mismo sucederá para todos los subsiguientes rebotes (el interruptor nunca se mantiene cerrado lo suficiente pa­ ra accionar la compuerta debido a la necesidad de cargar a C. Cuando finalmente se presenta el cierre permanente, C podrá cargarse hasta el voltaje de umbral de la compuerta y activarla. El filtro de la figura l-10(a) también funciona para rechazar señales de ruido de fuentes externas. Es decir, si se presenta un pulso de ruido de alta velocidad en la terminal que proviene del inte­ rruptor, será rechazada por el filtro pasa-bajos y no se presentará en la entrada de la compuerta. Naturalmente, cuando el capacitor se cargue, no podrá cargarse hasta el nivel completo de voltaje de alimentación, únicamente podrá cargarse hasta el voltaje de Thevenin del divisor de vol­ taje Äj-/?2 . Esto por lo general no es un problema, ya que las compuertas de estado sólido operan de forma confiable con un voltaje de entrada menor al voltaje completo de alimentación. FIGURA 1-9

SW

□ problema del rebote de contactos. Entrada del osciloscopio

(a)

(b)

www.FreeLibros.me

1-7 D IS P O S IT IV O S D E E N T R A D A P A R A L A L Ó G IC A D E E S T A D O S Ó L ID O

15

FIGURA 1-10 (a) Filtro de interruptor RC para eliminar los efectos de rebote de contacto (b) Eliminador de rebote construido con compuertas de estado sólido.

(a)

(b)

1-7-2 Eliminadores de rebotes Otro método para eliminar el rebote del contacto se muestra en la figura l-10(b). Este método difiere del presentado en la figura 1- 10(a) en que se dispara en el prim er rebote de contacto en lugar de esperar al cierre final. Después de que se enciende, ignorará los subsiguientes rebotes. Una desventaja de este circuito es que requiere un interruptor de doble tiro en lugar de un solo contacto N.A. Así es como funciona. Con el interruptor de límite liberado, el contacto N.C. se cierra y se aplica un nivel ALTO a y a la entrada 2 de N0R2. La salida de N0R2 será por tanto BAJO, ocasionando que la en­ trada 2 de N0R1 sea BAJO. La entrada 1 de N0R1 es también BAJO debido a que R\ la lleva a tierra. Con ambas entradas de N0R1 en BAJO, su salida será ALTO; el inversor I entonces ge­ nera la salida final BAJO. Durante el proceso de conmutación, ésta es la secuencia de eventos: 1. El contacto N.C. se abre primero (abre antes de conmutar), lo que ocasiona que la entrada número 2 de N0R2 pase a BAJO. N0R2 no cambia de estado ya que su entrada número 1 sigue en ALTO.

www.FreeLibros.me

C A P ÍT U L O I EL IN T E R R U P T O R DE T R A N S IS T O R C O M O U N D IS P O S ITIV O ..

2. El contacto N.A. se cierra momentáneamente en el primer cierre del contacto. Esto envía un ALTO temporal a la entrada 1 de N0R1, lo que provoca que su salida pase a BAJO. El inver­ sor entrega la salida final ALTO. La salida NOR1 alimenta la entrada 1 de NOR2, por lo que NOR2 ahora tiene dos entradas BAJO. Su salida por tanto pasará a ALTO, aplicando con esto un ALTO a la entrada 2 de NOR1, el cual tendrá dos entradas ALTO en este momento. 3. El contacto N.A. se abre por el rebote. Esto ocasionará un BAJO en la entrada 1 de NOR1, pero la entrada 2 mantendrá su nivel ALTO. Por consecuencia, NOR1 no cambia de estado, y la salida final permanecerá en ALTO. 4. Se presentarán varios rebotes más, cada uno de ellos cambiará el nivel lógico de la entrada 1 de NOR1. Sin embargo, ya que el contacto del interruptor de límite N.C. permanece abierto, persistirá un ALTO en la entrada 2 de NOR1, manteniendo estable a NOR1. Cuando el interruptor de límite se libere tiempo después, el eliminador de rebotes reali­ zará lo mismo pero de forma inversa, ocasionando una transición sin oscilaciones al nivel BAJO en la salida final. Usted deberá seguir la operación del circuito cuando esto sucede.

1-7-3 Convertidores de señal El filtro capacitivo y el eliminador de rebotes que hemos analizado, suponen que el dispositivo de entrada conmuta un nivel lógico de voltaje (+5 V en la figura 1-10). Ya que prácticamente todas las compuertas lógicas industriales utilizan un voltaje de alimentación de 20 V o menor, los dispositivos de entrada deberán operar de forma confiable bajo condiciones relativas de bajo voltaje y corriente, con el objetivo de permitir una conmutación directa de este tipo. Esto en ocasiones es posible, sin embargo, existen muchas situaciones en las que no lo es. En ocasiones los dispositivos que recopilan la información no pueden ofrecer una operación confiable bajo condiciones de bajo voltaje. Existen dos razones principales para esta falta de confiabilidad. Primero, los dispositivos de entrada pueden encontrarse físicamente remotos respecto a la lógica de toma de decisiones. Por ello, el cable que corre entre los dispositivos de entrada y los circuitos lógicos será largo y necesariamente tendrá una mayor resistencia que si fuera más corto. Una mayor resistencia oca­ siona una mayor caída de voltaje IR en los cables. Si el voltaje inicial ya es pequeño, no se pue­ den tolerar caídas grandes de voltaje IR en los cables ya que la lógica podría confundir un nivel ALTO con uno BAJO. Es mejor iniciar con un voltaje mayor de forma que el sistema pueda so­ portar una cierta pérdida de voltaje en los cables de conexión. Segundo, las superficies de contacto de los dispositivos de entrada tienden a acumular partículas en suspensión y restos; también se pueden formar óxidos y otros recubrimientos quí­ micos en las superficies. Esto ocasiona que la resistencia del contacto se incremente, volviendo imposible en ocasiones que un voltaje pequeño supere la resistencia. Se requiere un nivel de al­ to voltaje para asegurar que la mayor resistencia pueda superarse. Adicionalmente, el mismo acto de conmutar un voltaje alto genera arcos entre los dos contactos. Estos arcos consumen los óxidos y los residuos, y mantienen las superficies limpias. Por todo esto, bajo muchas circunstancias industriales, resulta absolutamente necesario utilizar altos voltajes para activar los dispositivos de entrada. Cuando esto se hace, debe existir un dispositivo de interfase añadido para convertir la señal de entrada de alto voltaje a una señal lógica de bajo voltaje. Tales dispositivos se denominan como convertidores de señales, interfases de entrada lógicay con otros nombres. Utilizaremos el término convertidor de señalen es­ te libro. En la figura 1-11 (a) se presenta un símbolo esquemático de un convertidor de señal. En la figura 1-11 (b) se presenta un diagrama esquemático que contiene tres convertidores de señal. En la mayoría de los diagramas esquemáticos industriales, los convertidores de señal se dibujan con dos cables como se muestra en la figura 1-11 (b), aunque un convertidor real de se­ ñales por lo regular tiene cuatro cables conectados a él. La representación esquemática es sim­ ple y ordenada, sin embargo, sugiere la acción de un convertidor de señales, particularmente, que un 1 lógico de bajo voltaje se presenta en la salida cuando una señal de entrada de alto voltaje se aplica por el cierre del contacto del dispositivo de entrada.

www.FreeLibros.me

- 7 D IS P O S IT IV O S D E E N T R A D A P A R A L A L Ó G IC A D E E S T A D O S Ó L ID O

FIGURA l- l I

17

Q*

Convertidores de señal para convertir señales de entrada de alto voltaje a señales lógicas de bajo voltaje.

(a)

La figura 1-12 muestra la construcción interna de dos convertidores de señal típicos para convertir una entrada de 115 V ca a un nivel lógico de +5 V cd. La figura 1-12 (a) es una fuente común de alimentación de onda completa con un transfor­ mador de derivación central. El dispositivo de entrada entrega 115 V ca al devanado primario, y los circuitos rectificador y de filtro convierten el voltaje secundario a 5 V cd. Observe que es­ te tipo de convertidor de señal tiene cuatro conexiones incluso aunque el símbolo esquemático se dibuja con sólo dos conexiones. Este convertidor de señal proporciona un aislamiento eléctrico entre los circuitos de en­ trada de alto voltaje y los circuitos lógicos de bajo voltaje en virtud del acoplamiento magnéti­ co entre los devanados del transformador. El aislamiento eléctrico entre los dos circuitos es deseable ya que tiende a evitar el ruido electromagnético o electroestático generado por el circuito de entrada al pasar al circuito lógi­ co. En un sistema lógico industrial, la captación de ruido en el circuito dispositivo de entrada es con frecuencia un problema. Esto se debe a los largos cables que van del panel lógico a los disposi­ tivos de entrada y a la tendencia a transportar los cables en conductos donde se extienden junto a cables de energía. Los cables de energía que activan motores e interruptores son de naturale­ za ruidosos y fácilmente pueden inducir ruido eléctrico no deseado en los cables de conexión entre los dispositivos de entrada y los lógicos. El convertidor de señales presentado en la figura 1-12 (b) utiliza un relevador de láminas. La salida del puente de onda completa activa la bobina del relevador, y los contactos de releva­ dor cambian el voltaje de suministro lógico a la línea de salida del convertidor de señal. El cir­ cuito lógico se encuentra aislado del circuito de entrada mediante el relevador. Esto tipo de convertidor de señal...