Elección de una bobina de electroválvula de CA o CC

Los solenoides son dispositivos electromecánicos que convierten la energía eléctrica en energía mecánica. Existen dos tipos principales de solenoides: Solenoides de CA y solenoides de CC. Los solenoides de CA funcionan con corriente alterna (CA), mientras que los solenoides de CC funcionan con corriente continua (CC). Este artículo compara las diferencias y consideraciones de diseño de las bobinas de CA y CC para una aplicación.

Principio de funcionamiento del solenoide

Los solenoides son los componentes más importantes utilizados en las electroválvulas para controlar el flujo de líquidos y gases. Los solenoides son dispositivos electromecánicos que convierten la energía eléctrica de CA o CC en movimiento lineal. Suelen consistir en una bobina helicoidal enrollada concéntricamente alrededor de un cilindro móvil, llamado inducido, fabricado con un material ferromagnético como el hierro o el acero. La mayoría de las electroválvulas tienen una bobina reemplazable y pueden utilizarse con bobinas de diferentes voltajes.  

Cuando la corriente fluye por la bobina, genera un campo magnético en su interior que atrae la armadura hacia el centro del solenoide utilizando los mismos principios básicos que los electroimanes ordinarios. Dado que la armadura es atraída hacia el centro del solenoide independientemente de la polaridad de la corriente, se necesita una fuerza opuesta para devolver la armadura a la posición de arranque cuando la bobina no está energizada. Esto se consigue mediante un mecanismo de muelle. En condiciones ideales, para accionar el solenoide, la fuerza generada por el solenoide debe ser mayor que las fuerzas combinadas del muelle, y la presión hidráulica, así como la fricción.

Al levantar la armadura, se abre un pequeño puerto en la válvula que permite el flujo del medio. El flujo a través de la válvula se puede controlar energizando o desenergizando la bobina. Aunque hay varios tipos de electroválvulas que difieren en su construcción mecánica, la idea básica de un actuador de solenoide que actúa sobre una superficie de control sigue siendo la misma en todos los tipos de electroválvulas.

La polaridad de los contactos eléctricos no es importante en las electroválvulas de CA y CC. En el caso de las electroválvulas de corriente alterna, esto podría ser obvio porque la corriente cambia de polaridad dos veces por período de todos modos. En el caso de las electroválvulas de corriente continua, el razonamiento es que la corriente que pasa por la bobina crea un electroimán que produce una fuerza de atracción en la armadura. Cuando se aplica corriente a través de la bobina, la armadura siempre será atraída hacia la bobina, independientemente del contacto y de la polaridad de la corriente.

Diferencias entre los solenoides de CA y de CC

En el nivel más básico, el funcionamiento de los solenoides de CC es relativamente sencillo: el solenoide puede estar energizado, permitiendo que la fuerza magnética generada por el solenoide supere la resistencia del muelle y mueva la armadura hacia el centro de la bobina, o desenergizado, permitiendo que la fuerza del muelle empuje la armadura de vuelta a la posición inicial.

En el caso de los solenoides de CA, la teoría de funcionamiento es algo más complicada. La corriente alterna puede aproximarse utilizando una forma de onda sinusoidal. En consecuencia, dos veces por período la corriente tiene un cruce de cero, lo que significa que la corriente que circula por la bobina en ese momento es igual a cero.

Dado que la fuerza magnética generada por el solenoide está en proporción directa con la corriente que fluye a través de la bobina del solenoide, la fuerza del muelle superará la fuerza generada por el solenoide durante un corto período de tiempo, dos veces por período. Se trata de un problema que se manifiesta como una vibración de la armadura, que produce un zumbido y puede provocar tensiones en los componentes de la electroválvula. Para evitar este problema, se instala un simple anillo conductor, denominado anillo de sombreado, cerca de la bobina alrededor del inducido. El anillo de sombreado suele ser de cobre. La función de un anillo de sombra es almacenar la energía del campo magnético y liberarla con una diferencia de fase de 90 grados.

El efecto de un anillo de sombreado es que, mientras el campo magnético generado por la bobina primaria disminuye hacia el cero, el campo magnético generado por el anillo de sombreado alcanza su punto máximo, rellenando eficazmente el hueco en la amplitud del campo magnético durante los cruces del cero, eliminando las vibraciones. La mayoría de las electroválvulas que pueden utilizarse con diferentes tensiones de bobina llevan incorporado un anillo de sombreado.

Si la suciedad se acumula alrededor de la armadura, el efecto del anillo de sombreado puede ser limitado y se requiere otra solución. Un ejemplo de otra solución es el uso de un circuito electrónico que filtra la corriente del solenoide, de modo que no hay cruces de cero. Este circuito puede estar incrustado en la propia bobina de la electroválvula o puede ser construido externamente. Suele implementarse utilizando diodos rectificadores y un condensador de filtrado en una topología de rectificador de onda completa.

Utilización de bobinas de CA con corriente continua y viceversa

En algunos casos, las bobinas clasificadas para corriente alterna pueden utilizarse con fuentes de alimentación de corriente continua y viceversa. Sin embargo, hay que tener en cuenta algunas limitaciones.

Es posible utilizar una bobina para corriente alterna con una alimentación de corriente continua, pero hay que limitar la tensión (y la corriente) o el solenoide podría quemarse. La razón es que, en régimen de CA, las bobinas tienen una reactancia inductiva que se suma a la resistividad eléctrica de la bobina. Como resultado, la impedancia de una bobina es varias veces mayor en régimen de CA que en régimen de CC. Por ejemplo, si se utiliza una electroválvula de 24 VAC con una fuente de alimentación de 24 V DC, lo más probable es que se dañe el solenoide porque la corriente efectiva que fluye a través del solenoide sería mucho mayor con la tensión DC.

Lamentablemente, no existe un factor fijo para reducir la tensión de alimentación. La corriente efectiva debe medirse en régimen de CA, y esa corriente debe fijarse como objetivo también para el régimen de CC. Algunas formas de lograr ese objetivo serían reducir la tensión de alimentación o utilizar una resistencia limitadora de corriente.

El uso de una bobina para corriente continua con una fuente de alimentación de corriente alterna, impone el riesgo de vibraciones ya que las electroválvulas de corriente continua pueden no contener un anillo de sombreado o un circuito rectificador. Estas vibraciones podrían dañar el solenoide al estresar los componentes con el tiempo, y pueden contribuir a los niveles de ruido en la sala. Esto se puede solucionar utilizando un circuito rectificador de onda completa externo con un filtro capacitivo.

Otro problema es que la corriente efectiva será varias veces menor en este caso, y la fuerza magnética generada por la bobina podría no ser lo suficientemente grande como para mover la armadura de su posición de reposo. Una solución sería utilizar una tensión mayor para que la corriente efectiva coincida con la corriente nominal del solenoide.

Consideraciones sobre el diseño de solenoides de CA frente a CC

Idealmente, cuando una electroválvula pasa del estado OFF al ON, el solenoide debe generar inicialmente más fuerza para superar la tensión del muelle combinada con la presión hidráulica que actúa contra la válvula. Una vez establecido el flujo, las fuerzas hidráulicas que actúan sobre el mecanismo de la válvula disminuyen, y el solenoide puede disminuir la fuerza generada para reducir el consumo de energía y el calentamiento.

Los solenoides de CA siguen este comportamiento ideal más de cerca que los solenoides de CC. En los solenoides de corriente continua, cuando el solenoide se enciende, la corriente aumenta asintóticamente hacia un determinado valor que depende de la resistividad de la bobina. Esto se traduce en una menor corriente inicial (y una menor fuerza inicial que conlleva una apertura más lenta de la válvula). Una vez que la válvula está abierta, el consumo de corriente se mantiene en un valor constante que es mayor que el necesario para mantener la válvula abierta. Como resultado, los solenoides de CC sin ningún circuito externo desperdiciarán una cantidad considerable de energía en el estado abierto.

Para los circuitos de CA, la impedancia de una bobina se calcula mediante la siguiente fórmula:

En la fórmula anterior Z es la impedancia, R es la resistencia eléctrica de la bobina, j es una constante igual a la raíz cuadrada de -1 que en esta ecuación tiene un efecto de desplazamiento de fase de 90 grados, f es la frecuencia y L es la inductancia de la bobina. Al principio, el entrehierro es grande y, en consecuencia, la inductancia de la bobina es pequeña, lo que conduce a una menor impedancia y una mayor corriente a través del solenoide. Una mayor corriente equivale a una mayor fuerza magnética en el inducido.

A medida que la válvula se abre, el entrehierro se hace cada vez más pequeño y la impedancia de la bobina aumenta rápidamente, disminuyendo la corriente a través de la bobina. La reducción de la corriente a través de la bobina da lugar a un menor consumo de energía y al desperdicio de calor. Por ello, los solenoides de CA generan un pico de corriente inicial que permite una apertura más rápida y potente de la válvula. En cuanto la válvula está abierta, la corriente disminuye, lo que reduce el consumo de energía.

Aunque los solenoides de CA son intrínsecamente más eficientes desde el punto de vista energético, presentan algunos posibles inconvenientes. Una de ellas es la pérdida de potencia debida a las corrientes de Foucault que se forman debido a la inducción electromagnética en el inducido. Otro inconveniente es el riesgo de vibración, que puede mitigarse utilizando electroválvulas bien diseñadas que utilicen anillos de sombreado adecuados. Además, los sistemas de control modernos tienden a facilitar la interconexión con las salidas de CC, por lo que el uso de solenoides de CA con estos sistemas puede ser más engorroso y requerir el uso de relés adicionales.

Los solenoides de corriente continua pueden ser más eficientes si se utilizan circuitos externos que puedan moldear la corriente de la bobina de manera que haya un pico de corriente inicial necesario para abrir la válvula. Una vez que la válvula se abre, la corriente puede reducirse a un nivel de corriente de mantenimiento, que es lo justo para mantener la válvula abierta de forma fiable tirando de la armadura contra la tensión del muelle.

Estos circuitos externos pueden ser tan simples como conectar la bobina en serie con una conexión en paralelo de una resistencia y un condensador. En un circuito de este tipo, la carga del condensador a través de la bobina proporciona un pico de corriente inicial en la bobina. Una vez cargado el condensador, la resistencia limitadora de corriente pasa toda la corriente. La desventaja de este enfoque simplista es que parte de la energía se desperdicia en el calentamiento de la resistencia limitadora de corriente.

Hay enfoques mucho más complejos que implican fuentes de alimentación conmutadas que proporcionan una corriente programable a la bobina. Estas fuentes de alimentación pueden funcionar con electroválvulas y fuentes de alimentación de CA y CC. Garantizan un buen pico de apertura de la válvula y un menor consumo de energía mientras la válvula está abierta, lo que se traduce en una mayor eficiencia energética, un menor calentamiento y una mayor vida útil de la electroválvula.