Colegio Vocacional de Artes y Oficios

COVAO-Nocturno

Electrónica Aplicada

Automatismos de Lógica Cableada

Profesor: Carlos Robles Tencio Año: XI-2010

Versión 1.0.2 – Junio de 2010

Interruptores

Un interruptor eléctrico (switch) es cualquier dispositivo usado para interrumpir el flujo de electrones en un circuito. Los interruptores son esencialmente dispositivos binarios: pueden estar encendidos completamente (cerrados o en estado ON) o completamente apagados (abiertos o en estado OFF). Existen muchos tipos de interruptores, algunos de ellos los vamos a explorar en este capítulo.

El tipo de interruptor más simple es aquél donde dos conductores eléctricos son puestos en contacto uno con otro por el movimiento de un mecanismo actuador. Otros tipos de interruptores más complejos contienen circuitos electrónicos capaces de estar en un estado de encendido o apagado dependiendo de algún estímulo físico sensado (como una luz o un campo magnético). En todo caso, al final cualquier interruptor contendrá (al menos) un par de terminales para la conexión de los dos alambres que serán conectados juntos por el mecanismo de contacto interno del interruptor si está en el estado cerrado, o estarán sin conexión en el estado abierto.

Cualquier interruptor diseñado para ser operado por una persona es llamado generalmente interruptor manual, y son fabricados de formas diferentes. Estos los estudiaremos primero en la sección siguiente.

1. Tipos de interruptores

Interruptor conmutador o apagador (Toggle switch)

Los apagadores son accionados por una palanca anclada en una, dos o más posiciones. El apagador con iluminación de uso común en las instalaciones de las viviendas es un ejemplo de estos interruptores. En la mayoría de los apagadores la palanca descansa en cualquiera de las posiciones, mientras que algunos tipos poseen un mecanismo interno de empuje que retorna la palanca a una posición normal, después de estar en una posición momentánea.

Figura 1.1. Interruptor pulsador. (Tomado del Telesquemario de Schneider Electric)

Interruptor pulsador (Pushbutton switch)

Los interruptores pulsadores (Fig. 1.a) son dispositivos de dos posiciones accionados por un botón el cual puede estar presionado o liberado. Muchos pulsadores cuentan con un mecanismo interno de palanca que retorna el botón hacia afuera en todo momento, concediendo únicamente una posición momentánea mientras se mantenga presionado (Fig. 1.b). Otros cuentan con un mecanismo de cerrojo que permite alternar entre los estados de encendido y apagado con cada pulsación del interruptor, pero siempre manteniendo afuera el botón. Algunas variantes con cerrojo mantienen presionado el botón en su posición presionada, liberándola hasta que sea presionada nuevamente. Este último tipo tiene un botón con una cabeza en forma de hongo para un fácil accionamiento.

En la figura 2 se muestran varios tipos de cajas colgantes con varios interruptores pulsadores. Este tipo de cajas se utilizan en la industria para accionar mecanismos a distancia como grúas o bandas transportadoras.

Figura 2. Cajas colgantes de pulsadores. (Tomado del Telesquemario de Schneider Electric)

Interruptor selector (Selector switch)

Los interruptores selectores son accionados por una perilla giratoria o una pequeña palanca que permite seleccionar una, dos o más posiciones (Fig. 3). Similares a los apagadores, los selectores

pueden descansar en cualquiera de sus posiciones o pueden tener un mecanismo de empuje para una operación momentánea.

Figura 3. Diferentes tipos de interruptores selectores. (Tomado del Telesquemario de Schneider Electric)

Interruptor de palanca (Joystick switch)

Un interruptor de palanca es accionado por una palanca con libertad de movimiento en más de un eje de rotación. Uno o más de los mecanismos de contacto son accionados dependiendo de la dirección en la cual la palanca es movida, y algunas veces incluso por cuánto es movida la palanca (Fig. 4). La notación del círculo con un punto en el símbolo del interruptor, representa la dirección de la palanca que se requiere para accionar los contactos. Las palancas manuales son usadas por lo general para controlar el levantamiento de objetos o el control de robots.

Algunos interruptores son especialmente diseñados para ser operados por el movimiento de una máquina en lugar de un operador humano. Estos interruptores accionados por movimiento son conocidos como interruptores de final de carrera o limitadores, debido a que con frecuencia son utilizados para limitar el movimiento de las máquinas al desactivar la energía cuando una de las partes se mueve hasta el final del recorrido. Al igual que los interruptores manuales, los interruptores limitadores están disponibles en varios estilos. A continuación veremos algunos de ellos.

Figura 1.4. Interruptor de palanca. (Tomado del Telesquemario de Schneider Electric)

Interruptor limitador accionado por palanca (Lever actuator limit switch)

Este tipo de interruptores limitadores o de final de carrera se asemejan a un apagador rústico o a un interruptor selector manual con una palanca que es presionada por una parte de la máquina (Fig 5). Por lo común la palanca es movida por la parte móvil de la máquina mientras ésta hace contacto con un pequeño tambor de apoyo, que previene que la palanca se desgaste por el contacto repetido con las partes de la máquina. Aplicaciones típicas para este tipo de interruptor son la apertura y cierre de puertas, sistemas de cinta transportadora, conteo y detección de piezas, máquinas de transferencia, fosas y taladros, entre otras.

Figura 1.5. Interruptor de final de carrera. (Tomado de Carabobo)

Interruptor de proximidad (Proximity switch)

Los interruptores de proximidad sensan la aproximación de una parte metálica de la máquina a través de un campo magnético de alta frecuencia. El diseño más simple de estos interruptores utiliza un imán permanente para accionar un mecanismo de fijación cuando una parte de la máquina está muy próximo (típicamente una pulgada o menos). Interruptores de proximidad más complejos trabajan como un detector de metales, energizando una bobina de alambre con una corriente de alta frecuencia, y monitoreando electrónicamente la magnitud de esa corriente (Fig. 6). Si una parte metálica (no necesariamente magnética) se aproxima lo suficiente a la bobina, la corriente se incrementa y se dispara el circuito de monitoreo. El símbolo mostrado corresponde a un interruptor de proximidad de tipo electrónico, característica que se indica por la figura de diamante exterior alrededor del interruptor. Para un interruptor de proximidad que no es electrónico se deberá utilizar el mismo símbolo que el de un interruptor limitador accionado por palanca.

Otro tipo de interruptor de proximidad es el interruptor óptico, compuesto por una fuente de luz y una fotocelda (Fig. 7). La posición de la máquina es detectada mediante la interrupción o reflexión del haz de luz. Los interruptores ópticos son muy útiles en aplicaciones de seguridad, donde los haces de luz pueden ser utilizados para detectar la entrada del personal en áreas peligrosas.

En muchos procesos industriales es necesario monitorear varias cantidades físicas mediante interruptores. Éstos pueden ser usados para activar alarmas sonoras, o para indicar que una variable del proceso ha excedido los parámetros normales, o para desenergizar procesos o equipo

si esas variables han alcanzado niveles peligrosos o destructivos. Existen también muchos tipos de interruptores para el control de procesos. Veremos algunos de ellos en las secciones siguientes.

a) Detección por bloqueo del haz

b) Detección por retorno del haz

Figura 7. Principio de funcionamiento de un detector óptico. (Tomado del Telesquemario de Schneider Electric)

Interruptor de velocidad (Speed switch)

Estos interruptores sensan la velocidad de rotación de un eje que cuenta con un mecanismo centrífugo unido a él, o por algún tipo de detección sin contacto del movimiento del eje, ya sea por medios ópticos o magnéticos (Fig. 8). Los interruptores centrífugos se utilizan, por ejemplo, para conectar el bobinado de arranque en los motores de inducción monofásicos de fase partida. Este interruptor centrífugo permite que pase corriente por el bobinado de arranque hasta que el motor alcance un 75% de su velocidad nominal. Una vez sobrepasada esta velocidad, el interruptor centrífugo desconecta el bobinado de arranque, y el motor continua girando con normalidad.

Figura 1.8. Codificador óptico rotativo incremental. (Tomado del Telesquemario de Schneider Electric).

Interruptor de temperatura (Temperature switch)

Un mecanismo muy económico para sensar la temperatura es mediante una tira bimetálica: dos láminas delgadas bimetálicas unidas una cara junto a la otra, construidas con metales con diferente coeficiente de expansión térmico (Fig. 9). Cuando la tira se calienta o enfría, la diferencia entre los coeficientes de expansión térmicos entre los metales causa que se curven. La curvatura de la tira puede ser utilizada para accionar un mecanismo interruptor.

Otros interruptores de temperatura utilizan un bulbo metálico llenado con un líquido o gas, con un pequeño tubito que conecta el bulbo a un interruptor de presión. Cuando el bulbo es calentado, el gas o el líquido se expande, generando un aumento en la presión la que actúa sobre el mecanismo interruptor.

Figura 1.9. Principio de funcionamiento de un interruptor térmico bimetal. (Tomado del Telesquemario de Schneider Electric)

Figura 1.10. Preóstato. (Tomado del Telesquemario de Schneider Electric)

Interruptor de presión (Pressure witch)

La presión de los gases o líquidos puede ser utilizada para accionar un mecanismo interruptor si esa presión es aplicada a un pistón, diafragma, o fuelle el cual convierta la presión en una fuerza mecánica (Fig. 10).

 

Interruptor de nivel de líquido (Liquid level switch)

Un objeto flotante puede ser utilizado para accionar un mecanismo interruptor cuando el nivel del líquido en un tanque sobrepase cierto punto (Fig. 11). Si el líquido es conductor eléctrico, el mismo líquido puede ser usado como un puente conductor entre dos puntas metálicas insertadas dentro del tanque a la profundidad deseada. La técnica de conductividad es utilizada frecuentemente junto con un diseño especial de relé que es disparado por una pequeña corriente que pase por el líquido conductor. Esto es se hace así ya que en muchos casos es impráctico y peligroso hacer que toda la corriente de la carga pase a través del líquido conductor, si éste se utiliza como interruptor.

Los interruptores de nivel también pueden ser diseñados para detectar el nivel de materiales sólidos como montículos de chips, granos, carbón o alimentos de animales almacenados en un silo, depósito o tolva. Un diseño común utilizado para este tipo de aplicación es una rueda de paletas, insertada dentro del depósito a la altura deseada, la cual es girada lentamente por un pequeño motor eléctrico. Cuando el material sólido llena el depósito a esa altura, el material impide que la rueda de paletas continúe girando. La fuerza de torque ejercida por el motor al detenerse la rueda, dispara el mecanismo interruptor. Otro diseño utiliza una “horquilla de afinación” moldeada con dientes de metal, insertada dentro del depósito desde el exterior a la altura deseada. La horquilla puede vibrar a su frecuencia de resonancia mediante un ensamble conformado por un circuito electrónico y una bobina magnética/electromagnética. Cuando el depósito se llena a la altura deseada, el material sólido atenúa la vibración de la horquilla, cambiando su amplitud y/o frecuencia de vibración la que es detectada por el circuito electrónico.

Otro tipo de interruptor de nivel, apropiado para la detección de líquidos o materiales sólidos, es el interruptor nuclear. Está compuesto por una fuente de material radioactivo y un detector de radiación, ambos montados a través del diámetro del recipiente contenedor del líquido o material sólido. Cualquier altura del material más allá del nivel ajustado para el detector, atenuará la fuerza de la radiación recibida por el detector. Esta disminución en el nivel de radiación en el detector

puede ser usado para disparar un relé que provee la función de interruptor para el punto de medición, para ser usado como alarma o control de nivel en el recipiente.

La fuente y el detector están fuera del recipiente, sin intrusión alguna dentro del recipiente excepto el flujo de radiación. Las fuentes radioactivas empleadas utilizan magnitudes muy débiles y seguras, que no representan peligro para el material o la salud del personal de mantenimiento.

Figura 1.11. Interruptor de control de nivel. (Tomado del Telesquemario de Schneider Electric)

Interruptor de flujo de líquido (Liquid flow switch)

Insertado dentro de un tubo, un interruptor de flujo detectará cualquier flujo de gas o líquido que exceda cierto límite, mediante una pequeña pala o aspa que puede ser movida por el flujo. Otros interruptores de flujo son construidos como interruptores diferenciales de presión, midiendo el descenso en la presión a través de una obstrucción construida dentro del tubo.

Como es usual, existe más de una forma de implementar un interruptor para monitorear un proceso físico o servir como un dispositivo de control. También no existe un interruptor ideal para todas las aplicaciones, aunque algunos obviamente poseen más ventajas que otros. Los interruptores pueden ser ajustados inteligentemente para que realicen ciertas tareas de manera eficiente y confiable.

2. Estado normal de los contactos y secuencia de conexión/desconexión

Cualquier interruptor de contacto puede ser diseñado para cerrar sus contactos (establecer la continuidad eléctrica) cuando es accionado, o abrirlos (interrumpir la continuidad) cuando es accionado. Para los interruptores que tienen un mecanismo en ellos que los empuja hacia la posición inicial, la posición en que mantiene los contactos la fuerza de empuje cuando no es accionado el interruptor, es llamada la posición normal. En consecuencia, los contactos que están abiertos en esta posición son llamados normalmente abiertos (NO), y los contactos que están cerrados en esta posición son llamados normalmente cerrados (NC).

Para los interruptores accionados por procesos, la posición o estado normal es aquella en que está el interruptor cuando el proceso no ejerce influencia alguna en él. Una manera sencilla de imaginar la posición normal de un interruptor de procesos, es considerar el estado en que estaría el interruptor cuando está almacenado, sin instalarlo. Veamos algunos ejemplos de condiciones normales para diversos tipos de interruptores de procesos:

• Interruptor de velocidad: eje sin girar.

• Interruptor de presión: ninguna presión aplicada.

• Interruptor de temperatura: temperatura ambiente.

• Interruptor de nivel: tanque o depósito vacío.

• Interruptor de flujo: sin flujo de líquido.

Es importante distinguir entre la condición normal del interruptor y su posición de uso normal cuando el proceso está activo. Considere el ejemplo de un interruptor para flujo de líquido, el cual se utiliza para activar una alarma cuando existe un flujo muy débil en un sistema de enfriamiento por agua. La condición normal o apropiada para el sistema de enfriamiento es tener un flujo razonablemente constante de líquido enfriador a través de la tubería. Si queremos que los contactos del interruptor de flujo estén cerrados en el evento de una pérdida de flujo de líquido enfriador (para completar el circuito eléctrico que activa una sirena de alarma, por ejemplo), debemos utilizar un interruptor de flujo cuyos contactos sean normalmente cerrados en lugar de unos normalmente abiertos. Cuando existe un flujo adecuado a través de la tubería, los contactos del interruptor son forzados a abrirse; cuando la intensidad del flujo cae hasta un nivel bajo anormal, los contactos retornan a su posición normal (cerrados). Puede resultar confuso si se piensa que el estado normal del interruptor es aquel donde ocurre la condición normal del proceso, así que hay que tener en cuenta siempre que el estado normal del interruptor es aquel en el cual se encontraría si estuviera guardado en una repisa.

La simbología esquemática para los interruptores varía de acuerdo al propósito y la forma de accionamiento del mismo. Un interruptor con contactos normalmente abiertos se dibuja de manera que muestre la condición de una conexión abierta, listo para cerrarse cuando sea accionado. Razonando de la misma manera, un interruptor normalmente cerrado es dibujado con la conexión cerrada la cual pasará a abierta cuando sea accionado. Esto se aprecia en los símbolos mostrados en la figura 12.

Figura 1.12. Simbología para interruptores pulsadores.

También existe una simbología genérica para cualquier tipo de contactos de un interruptor, la que usa un par de líneas verticales para representar los puntos de contacto del interruptor. Los contactos normalmente abiertos son designados por dos líneas paralelas sin conexión entre ellas, mientras que los contactos normalmente cerrados son designados con una línea diagonal que puentea las dos líneas verticales e indica que existe conexión. Estos se muestran en la figura 13.

En la figura 13.a, el interruptor se cerrará cuando sea accionado, y se mantendrá abierto en la posición normal (sin accionar). Si los interruptores son designados con esta simbología genérica, el tipo de interruptor es identificado por un texto en la parte superior cerca del símbolo. La simbología de la figura 13.a tampoco debe ser confundida con la utilizada para un capacitor. Si un capacitor se va representar en un diagrama de control, se dibujará de la forma siguiente:

Capacitor

Figura 1.13. Designación para interruptores de contactos genéricos.

En la simbología electrónica estándar, la figura mostrada anteriormente está reservada para condensadores sensibles a la polaridad de sus terminales. En la simbología de control eléctrico, el símbolo mostrado anteriormente es usado para cualquier tipo de capacitor, sin importar si el condensador es sensible o no a la polaridad, para que sea distinguido con claridad de los contactos de un interruptor normalmente abierto.

En los interruptores selectores de múltiples posiciones, un factor adicional de diseño debe ser considerado: la dirección en que el contacto común se aleja del punto de conexión anterior, y se aproxima hacia el siguiente conforme el interruptor se mueve de una posición a otra, haciendo continuidad a través de varios contactos estacionarios según la secuencia. Considere el interruptor selector de la figura 14.a.

Figura 1.14. Simbología para los interruptores selectores.

El selector mostrado en la figura 14.a, interconecta una palanca anclada a una entrada común con uno de los cinco contactos diferentes de acuerdo a su posición. Los contactos de los alambres están numerados del 1 al 5. La configuración habitual de un interruptor de posiciones múltiples como éste, es aquella donde el contacto que existía en la posición 1 es interrumpido antes que haga contacto en la posición siguiente. Esta configuración es llamada interrumpir antes de conectar (break-before-make). Por ejemplo, si el selector está colocado en la posición número 3 y fuera lentamente girado en la dirección de las manecillas de un reloj, la palanca que hace contacto deberá desconectarse primero de la posición 3 abriendo el circuito, pasando luego por el espacio entre las posiciones 3 y 4 sin hacer contacto, y hacer finalmente contacto en la posición 4 para cerrar el circuito en esta nueva posición.

Figura 1.15. Interruptor selector de dos polos y cinco tiros.

Hay aplicaciones donde es inaceptable abrir completamente el circuito conectado al terminal común en cualquier instante. Para estos casos, se debe variar el diseño del interruptor selector “interrumpir antes de conectar”, mediante una palanca de contacto movible que sea capaz de puentear dos posiciones consecutivas simultáneamente (entre la número 3 y la número 4 en el ejemplo anterior) cuando pasa de una posición a otra, y se encuentra en una posición intermedia. El compromiso aquí es que el circuito debe ser capaz de soportar la conexión entre dos posiciones consecutivas (1 y 2, 2 y 3, 3 y 4, 4 y 5) mientras la perilla del selector es girada de una posición a otra. El símbolo de un interruptor de este tipo se muestra en la figura 14.b.

Cuando el contacto movible (o los contactos movibles) puede ser llevado a hacer contacto con una de varias posiciones estacionarias, estas posiciones son a veces llamadas tiros (throws). El número de contactos movibles es a veces llamado polos (poles). Los dos tipos de selectores mostrados anteriormente tienen un contacto movible y cinco contactos estacionarios, por lo que podrían ser designados como interruptores de un polo y cinco tiros.

Si dos interruptores iguales de un polo y cinco tiros fueran mecánicamente unidos de manera que pudieran ser accionados por el mismo mecanismo, todo el ensamble podría llamarse un interruptor de dos polos y cinco tiros, y se representaría de la manera indicada en figura 15.

A continuación en la figura 16 se muestran algunas configuraciones comunes para interruptores con sus designaciones abreviadas.

Un polo, un tiro Doble polo, un tiro Un polo, doble tiro

Doble polo, doble tiro Cuatro polos, doble tiro

Figura 16. Simbología esquemática y designación en términos de polos y tiros, para diferentes tipos de interruptores.

3. Interruptores automáticos

Los interruptores automáticos son aparatos destinados a establecer e interrumpir circuitos eléctricos, con la particularidad de que precisan de una fuerza exterior que los conecte pero que se desconectan por sí mismos, sin deteriorarse, cuando el circuito en que se hallan presenta ciertas anomalías a las que son sensibles.

Normalmente dichas anomalías son:

- Sobreintensidades.

- Cortocircuitos.

- Sobretensiones o bajas tensiones.

- Descargas eléctricas hacia las personas.

Los interruptores automáticos que reaccionan ante estas anomalías se denominan respectivamente: Térmicos, Magnéticos, de máxima o mínima tensión y Diferenciales. Ya se discutió anteriormente sobre los interruptores térmicos, así que a continuación la atención se concentrará en los demás tipos.

Interruptores magnéticos

Son interruptores automáticos que reaccionan ante sobreintensidades de alto valor, cortándolas en tiempos lo suficientemente cortos como para no perjudicar ni a la red ni a los aparatos asociados a ella.

Para iniciar la desconexión se sirven del movimiento de un núcleo de hierro dentro de un campo magnético proporcional al valor de la intensidad que circula.

Interruptores magneto-térmicos

Generalmente, los interruptores automáticos combinan en un solo aparato varios de los sistemas de protección descritos. Los más utilizados son los magneto-térmicos (Fig. 17).

Figura 17. Varios tipos de interruptores termomagnéticos. Cada tipo varía en la cantidad de polos que es capaz de conmutar. (Tomado de http://www.netcom.es)

Un interruptor magneto-térmico o disyuntor termomagnético, es un dispositivo capaz de interrumpir la corriente eléctrica de un circuito cuando ésta sobrepasa ciertos valores máximos. Su funcionamiento se basa en dos de los efectos producidos por la circulación de corriente eléctrica en un circuito: el magnético y el térmico (efecto Joule). El dispositivo consta, por tanto, de dos partes, un electroimán y una lámina bimetálica, conectadas en serie y por las que circula la corriente que va hacia la carga (Fig 18).

Figura 1.18. Esquema de funcionamiento de un interruptor magnetotérmico unipolar. (Tomado de http://www.netcom.es)

Poseen tres sistemas de desconexión: manual, térmico y magnético. Cada uno puede actuar independientemente de los otros.

Mecánicamente, podemos decir que estos interruptores disponen de desconexión libre, es decir, que cuando se produce una desconexión, ya sea por sobrecarga o cortocircuito, el aparato desconecta aunque se sujete la manecilla de conexión.

Para los magneto-térmicos bipolares o tripolares, podemos decir también que cuando una fase es afectada en la desconexión, ésta se efectúa simultáneamente en todos los polos mediante transmisión interna, independiente de la pieza de unión entre manecillas.

Si comparamos los fusibles con los interruptores magneto-térmicos, veremos cómo estos últimos presentan una mayor seguridad y prestaciones, ya que interrumpen circuitos con más rapidez y capacidad de ruptura que los fusibles normales. Después, a la hora de restablecer el circuito, no se precisa ningún material adicional ni persona experta, basta con presionar un botón o mover un resorte el que se halla perfectamente aislado y visible.

Por el contrario, un fusible requiere el gasto de compra de un cartucho nuevo, su colocación en la base sometida a tensión, y una persona lo bastante capacitada para efectuar este tipo de operaciones. Estas molestias ocasionadas por la fundición de un fusible, llevan en muchas

ocasiones a colocar cartuchos inadecuados por personas inexpertas, ignorando el peligro que esto puede ocasionar a las personas y aparatos que con él van asociados.

Cuando se trata de interruptores magneto-térmicos tripolares, si una fase sufre perturbaciones, al disparar su polo arrastra a los otros dos y desconecta completamente el sistema. Si este circuito se hubiera protegido sólo con tres fusibles, se fundiría el correspondiente a la fase perjudicada y dejaría a todo el sistema en marcha con sólo dos fases, con los consiguientes peligros de averías que tal estado acarrea en determinados circuitos.

Naturalmente los fusibles son imprescindibles en cuadros generales de protección y en todos aquellos casos en que se desee una protección adicional.

Otra aplicación muy interesante de los interruptores magnetotérmicos la tenemos en la posibilidad de su desconexión a distancia, ya que algunos modelos se fabrican con la particularidad de poder acoplarles una bobina llamada bobina de emisión si se acciona con la aparición de una tensión, o bobina de mínima tensión si se acciona cuando la tensión desaparece, encargada de accionar el resorte de desconexión del interruptor magnetotérmico.

Las intensidades nominales de los interruptores magneto-térmicos más corrientemente utilizados son las siguientes:

1,5 - 3 - 3,5 - 5 - 7,5 - 10 - 15 - 20 - 25 - 30 - 35 - 40 - 45 - 50 y 63 A

 

Interruptores diferenciales

Son interruptores automáticos que evitan el paso de una corriente de intensidad peligrosa por el cuerpo humano (Fig. 19). La peligrosidad de los efectos que se pueden producir depende de la intensidad de la corriente y de su duración.

Figura 1.19. Interruptor diferencial. (Tomado de http://www.netcom.es)

Los interruptores diferenciales se basan en una característica que poseen los circuitos bifásicos o trifásicos, en los que la suma de las intensidades debe ser cero cuando no existen fugas. Cuando por algún motivo la suma de intensidades no es cero, en la bobina auxiliar aparece una tensión que aplicada a una pequeña bobina, acciona un pivote que a su vez acciona el dispositivo

mecánico que abre los contactos principales del circuito. Según sea el valor de la intensidad de desequilibrio que acciona el diferencial, así se definirá su sensibilidad. Normalmente se fabrican de dos sensibilidades: 30 y 300 mA.

Referente al dispositivo de disparo automático, es del tipo llamado de "libre mecanismo", es decir, que aun reteniendo el correspondiente mando en la posición de circuito cerrado, éste se abre si aparece el defecto correspondiente.

La intensidad nominal que puede controlar un interruptor diferencial, depende de las dimensiones de los contactos principales, y se fabrican con intensidades comprendidas entre 25 y 63 A, siendo el más corriente el de 40A por ser el que se suele utilizar en viviendas.

Se fabrican dos modelos de interruptores diferenciales, uno de dos polos para suministros bifásicos y otro de cuatro polos para los suministros trifásicos con neutro (Fig. 20).

Figura 1.20. Esquema interno de un interruptor diferencial. (Tomado de http://www.netcom.es)

Los interruptores diferenciales deben de disponer de un botón de prueba mediante el cual se provoca una fuga igual a la sensibilidad del aparato y por tanto induce su desconexión inmediata. La finalidad de este pulsador es la de permitir al usuario comprobar periódicamente el correcto funcionamiento del interruptor diferencial.

Para intensidades superiores a los 63A, los interruptores diferenciales suelen utilizarse de forma indirecta, es decir, la señal diferencial obtenida de la bobina toroidal es utilizada para accionar un contacto conmutado, encargado de accionar la bobina de emisión o la de mínima tensión del magneto-térmico y así interrumpir la continuidad de las líneas principales.

Este tipo de interruptores diferenciales suele fabricarse según una extensa gama de prestaciones, por lo que resulta difícil generalizar. En la figura 21 vemos un modelo de Circutor que tiene la particularidad de poder regular la sensibilidad y el tiempo de retardo de desconexión del diferencial. En la figura 22 se muestran dos circuitos donde se emplea el interruptor diferencial de la figura 21.

Figura 1.21. Interruptor diferencial modelo Circutor. (Tomado de http://www.netcom.es)

Figura 1.22. Circuitos que muestran dos configuraciones del interruptor diferencial Circutor. (Tomado de http://www.netcom.es)

4. Aplicaciones que utilizan circuitos con interruptores

Encendido de una lámpara desde un punto

La aplicación más sencilla que utiliza interruptores consiste en el control del encendido y apagado de una carga. La carga puede ser una lámpara, un motor, una máquina, etc. Para realizar esta función se requiere de un interruptor SPST normalmente abierto, de manera que al accionar el interruptor se transmita energía a la carga. Un interruptor de este tipo es un elemento mecánico con dos estados perfectamente diferenciados: encendido y apagado. Utilizando la representación binaria para este interruptor, podríamos asociar el estado apagado con un cero lógico y el estado encendido con un uno lógico. Este razonamiento se ilustra en la figura 23.

En la figura 23.a se muestra un esquema de conexión para encender una bombilla mediante una batería. El estado del interruptor es abierto (cero lógico) y la bombilla no enciende. En la figura 23.b el interruptor se encuentra cerrado (uno lógico) por lo que puede circular corriente hacia la bombilla y ésta se enciende. En la figura 23.c se muestra un diagrama eléctrico para un circuito que controla una bombilla, pero ahora la fuente de energía es monofásica (120VAC). En el diagrama aparecen los siguientes componentes: dos líneas de alimentación (L para la línea viva y N para el neutro), un fusible, un interruptor SPST NO y la bombilla.

La lógica binaria aplicada a este tipo de circuitos juega un papel muy importante en los circuitos de control. En una sección posterior se profundizará más en este aspecto. Por ahora centremos nuestra atención en otros circuitos para controlar de maneras muy diferentes el encendido y apagado de una lámpara.

Figura 1.23. Interruptor SPST utilizado para el control de una bombilla. (Adaptado de Fernández)

Encendido de una lámpara desde dos puntos diferentes

Este circuito se utiliza para cubrir necesidades de conmutación cortas, pues este método supone un gasto importante de alambre en la unión entre sus componentes. El circuito utiliza dos interruptores SPDT (también conocido en el ramo eléctrico como interruptor de tres vías, three way), un fusible y una lámpara, tal y como se muestra en la figura 24. En la figura 24.a la lámpara no enciende pues la corriente no tiene una trayectoria disponible. Aquí hay que observar que existen dos condiciones (estados de los interruptores) para que la lámpara se encienda:

1. Cambiar de posición el interruptor uno (Fig. 24.b) para que la corriente pase por el contacto inferior y continúe su trayectoria a través del interruptor dos hacia la lámpara y ésta se encienda.

2. Cambiar de posición el interruptor dos para que la corriente pase por el contacto superior y continúe su trayectoria a través de los interruptores uno y dos hacia la lámpara y ésta se encienda.

De acuerdo a las dos condiciones anteriores, en cualquier instante y sin importar cual interruptor se accione, se puede controlar el encendido de la lámpara. De igual manera, la lámpara se puede apagar en cualquier instante (Fig. 24.c) con solo accionar cualquiera de los dos interruptores.

El circuito se emplea comúnmente para controlar el encendido de una lámpara que ilumina una escalera que conduce hacia dos pisos diferentes de una edificación. Así se puede encender o apagar la lámpara desde cualquiera de los dos pisos. También se puede utilizar para iluminar un pasillo extenso, colocando los dos interruptores en los extremos, uno al inicio y el otro al final del pasillo. El problema en este caso es el gasto en el alambre de conexión entre los interruptores.

Figura 1.24. Funcionamiento de un circuito para el control de una lámpara desde dos puntos diferentes. (Adaptado de Fernández)

 

Control de una lámpara desde tres puntos

La aplicación más común de este circuito está en los grandes pasillos que poseen accesos intermedios en los que se puede accionar la luz, así como recorrer parte del mismo y controlar la iluminación sin necesidad de volver al inicio del pasillo.

El circuito mostrado en la figura 25 consta de dos interruptores SPDT y un interruptor cruzador DPDT, además del fusible y la lámpara. La diferencia entre el circuito de la figura 25 con el analizado en la sección anterior para la figura 24, está en la conexión del interruptor cruzador en medio de los dos interruptores SPDT. Este interruptor cruzador, también conocido en el ramo eléctrico como interruptor de cuatro vías, es un tipo especial de interruptor que es capaz de intercambiar la conexión de los polos de entrada y salida cuando es accionado (Fig. 26). Este comportamiento es totalmente diferente al de un interruptor DPDT verdadero, el cual tendría dos polos de entrada y cuatro de salida (Fig. 27).

La función del interruptor cruzador es la de cambiar los estados de encendido o apagado para los interruptores uno y dos según se analizó para la figura 24.

Figura 1.25. Funcionamiento de un circuito para el control de una lámpara desde tres puntos. (Adaptado de Fernández)

Figura 1.26. Interruptor de cuatro vías. (Tomado de Foley)

Figura 1.27. Interruptor DPDT. (Tomado de Foley)

 

Lógica digital aplicada a circuitos con interruptores

Tal y como se mencionó anteriormente, los razonamientos aplicados en el álgebra booleana se pueden extender a los circuitos de control construidos con interruptores. Antes de entrar a analizar los circuitos de control, debemos conocer la lógica que se puede obtener mediante la combinación de diferentes tipos de interruptores.

La figura 28 muestra una tabla que resume la forma de conectar varios interruptores para crear las principales compuertas lógicas. Para comprender mejor el modo de funcionamiento de los circuitos con interruptores mostrados en la figura 28, tenga presente lo siguiente:

• Considere que la entrada del circuito con interruptores está en el primer contacto a la izquierda, y que la salida está en el último contacto a la derecha.

• Las variables de una función lógica corresponden a los interruptores, de manera que cada uno de ellos deberá tener el nombre de la variable respectiva.

• Una variable sin negar equivale a un interruptor normalmente abierto, mientras que una variable negada equivale a un interruptor normalmente cerrado.

• Un interruptor abierto equivale a una variable cuyo valor es un cero lógico, y un interruptor cerrado equivale a una variable cuyo valor es un uno lógico.

• Para evaluar el valor lógico de la salida del circuito con interruptores, piense que si pasa corriente por la salida (terminal a la derecha) es un uno lógico y viceversa.

Figura 28. Principales compuertas lógicas y su equivalente en circuitos con interruptores. (Adaptado de Fernández)

A modo ilustrativo, se procederá a interpretar la información de la figura 28 para el caso de la compuerta OR. De acuerdo a la tabla de verdad, la salida z sólo será inactiva en el caso que sus dos entradas sean cero. En un circuito con interruptores, éstos corresponden a las variables y por eso se les designa con la misma letra que aparece en las tablas de verdad. La salida z de una compuerta equivaldría al último de los puntos de conexión luego de que la corriente haya atravesado cada uno de los interruptores que constituyen la entrada. Así, la salida z para el circuito con interruptores estaría en el terminal común a la derecha. Analizando el circuito, claramente se observa que basta con encender uno de los interruptores para que circule corriente por el terminal de salida (z), lo que equivale a pensar que basta con que una de las variables sea uno para que la salida sea uno. Un razonamiento similar se puede aplicar para el caso de la compuerta AND.

La aparición de variables negadas en los circuitos con interruptores merece una atención especial. Observe, por ejemplo, el caso del circuito con interruptores que corresponde a un inversor. Este caso que parece trivial puede incluso generar controversia cuando se mira por primera vez. Para evitar confusiones, piense en estos interruptores como normalmente cerrados. Así cuando el interruptor está sin accionar (estado cerrado), la salida es uno pues circula corriente; cuando el interruptor es accionado (estado abierto), la salida es cero ya que no pasa corriente. Teniendo esto presente, pasemos a analizar el circuito con interruptores para una compuerta XOR.

La función lógica para una compuerta O-Exclusiva en términos de compuertas AND y OR está formada por dos términos unidos por una compuerta OR. Cada uno de esos términos tiene una de las variables negada y la otra sin negar, y la variable que aparece en uno de los términos está sin negar en el otro. Por lo tanto, el circuito eléctrico construido con interruptores para una compuerta XOR estará formado por dos ramas en paralelo; cada rama estará formada por un

interruptor NO (para la variable sin negar) en serie con otro interruptor NC (para la variable negada).

Es importante anotar que para el caso de las compuertas NAND, NOR y XNOR las que normalmente se interpretan como compuertas AND, OR y XOR con las salidas negadas, que en el caso de circuitos con únicamente interruptores, no existe la posibilidad de negar una salida. Entonces para lograr representar estas compuertas es necesario aplicar el Teorema de DeMorgan:

• Si la función lógica está expresada como una sumatoria de productos, la función negada será igual al producto de sumas y viceversa.

• Una compuerta cuya salida está negada (tiene un círculo en la representación tradicional o un triángulo rectángulo en la representación IEEE/ANSI), la compuerta alternativa será:

o Una compuerta AND con las entradas negadas para el caso de una compuerta NOR.

o Una compuerta OR con las entradas negadas para el caso de una compuerta NAND.

• Para la compuerta XNOR no es necesario aplicar el Teorema de DeMorgan, ya que la función se puede representar como dos términos unidos por una compuerta OR, donde uno de los términos está formado por el producto de las dos variables, cada una negada; y el otro término está formado por el producto de las dos variables sin negar.

Pasemos ahora a revisar brevemente algunas de las propiedades del álgebra de Boole pero en términos de circuitos con interruptores, las cuales se resumen en la figura 29. Resulta interesante observar que la aplicación de cada una de las propiedades resulta clara al observar su representación en un circuito con contactos. Hasta se podría decir que resultan obvias ya que son evidentes al observar el circuito. Así que no se ahondará más en este tema.

Figura 29. Principales propiedades del álgebra de Boole y su equivalente en circuitos con interruptores. (Adaptado de Fernández)

Antes de continuar, es importante recalcar algunas conclusiones importantes que se obtienen de todo lo visto hasta este momento:

1. Una compuerta AND se implementa en un circuito con interruptores mediante una conexión en serie entre los diversos elementos.

2. Una compuerta OR se implementa en un circuito con interruptores mediante una conexión en paralelo entre los diversos elementos.

3. Una variable sin negar corresponde a un interruptor NO en un diagrama con interruptores, mientras que una variable negada corresponde a un interruptor NC.

4. No se puede negar una salida de un circuito construido únicamente con interruptores, así que si se presenta este caso, se debe aplicar el Teorema de DeMorgan para obtener un circuito equivalente sin la salida negada.

Pasemos ahora a analizar algunas funciones lógicas y su representación en términos de circuitos construidos con compuertas lógicas y con interruptores. Considere la función lógica mostrada en la figura 30.a. Puesto que la función tiene tres variables sin negar y una negada, en el diagrama con interruptores aparecerán tres interruptores NO y uno NC (ver figura 30.c). Las variables B y C en la función están relacionadas por una compuerta AND, así que aparecen como dos interruptores conectados en serie. La salida de esta AND ingresa a una compuerta OR cuya otra entrada es la variable A (Fig. 30.b), de manera que los interruptores B y C que están en serie aparecen en paralelo con el interruptor A. Finalmente, la salida de la compuerta OR ingresa a la entrada de una compuerta AND cuya otra entrada es la variable D, entonces la conexión en paralelo de los interruptores deberá estar en serie con el interruptor D, tal como se muestra en la figura 30.c.

Figura 1.30. Ejemplo 1 que muestra la implementación de una función lógica mediante un circuito con interruptores.

Veamos ahora el ejemplo que se muestra en la figura 31.a. En este circuito con compuertas, la salida proviene de una compuerta NOR, por lo tanto debemos aplicar el Teorema de DeMorgan para eliminar esta inversión en la salida del circuito. En la figura 31.b se muestra el nuevo circuito equivalente con compuertas, y en la figura 31.c el circuito equivalente con interruptores. De acuerdo al circuito de la figura 31.a, la salida X será alta únicamente cuando A=D=0 o cuando B=1 o C=0. Note que este simple análisis por inspección del circuito de la figura 31.a es lo que se puede apreciar en la figura 31.c, siendo los interruptores A,C y D de tipo NC por requerirse una condición negada (que sean cero) y únicamente el interruptor B de tipo NO.

Para este segundo ejemplo, si no resulta claro el análisis planteado en el párrafo anterior, analice las funciones lógicas y los circuitos mostrados en las figuras 31.a y 31.b. Debe poder concluir que son circuitos equivalentes y que tienen el mismo comportamiento que el circuito de la figura 31.c.

Figura 1.31. Ejemplo 2: elaboración de una función lógica mediante un circuito con interruptores.