¿Cómo funciona una válvula piezoeléctrica?

Figura 1: Una válvula piezoeléctrica

Las válvulas piezoeléctricas controlan precisamente el flujo de fluidos utilizando el efecto piezoeléctrico, lo que les permite actuar con alta precisión y sin necesidad de energía para mantener su estado. Estas válvulas se caracterizan por su tamaño compacto, peso ligero y excepcional durabilidad y velocidad, lo que las hace eficientes en energía y capaces de operar sin generar calor ni ruido. Es importante destacar que las válvulas piezoeléctricas funcionan de manera proporcional y presentan una resistencia significativa al desgaste. Estas características las hacen adecuadas para aplicaciones que requieren un control preciso del flujo y la presión, como la industria de semiconductores para la medición precisa de aire o gas, ensamblaje de piezas pequeñas con dosificación precisa de adhesivos, y diversas aplicaciones en tecnología médica, automatización de laboratorios y el sector automotriz.

¿Qué es la tecnología piezoeléctrica?

La tecnología piezoeléctrica implica el uso de elementos piezoeléctricos, que son transductores electromecánicos. Estos elementos pueden convertir fuerzas mecánicas como presión, tensión o aceleración en voltaje eléctrico a través del efecto piezoeléctrico directo. Por el contrario, el efecto piezoeléctrico inverso ocurre cuando un voltaje aplicado hace que el elemento piezoeléctrico se deforme, generando movimiento mecánico u oscilaciones.

Los materiales piezoeléctricos, típicamente cerámicas especiales con superficies conductoras, facilitan la conversión de energía eléctrica y mecánica. Estos materiales tienen una estructura de red asimétrica por debajo de una cierta temperatura, conocida como temperatura de Curie, lo que los convierte en dipolos. Estas cerámicas pueden ser polarizadas permanentemente cuando se exponen a campos eléctricos fuertes, otorgándoles propiedades piezoeléctricas. Esta polarización hace que el material cambie de forma cuando se aplica voltaje, lo que resulta en una deformación tridimensional a lo largo de las líneas de campo y contracción en ángulos rectos a estas líneas.

Ventajas de las válvulas piezoeléctricas

Las válvulas piezoeléctricas ofrecen varias ventajas distintas sobre las válvulas solenoides tradicionales. A continuación, se presenta una lista concisa que destaca las principales ventajas de las válvulas piezoeléctricas:

Bajo consumo de energía: Las válvulas piezoeléctricas utilizan una cantidad mínima de energía para permanecer activas, no generando calor a menos que se aplique un control de alta frecuencia. Esto las hace ideales para dispositivos alimentados por batería, extendiendo significativamente la vida útil de la batería en comparación con las válvulas solenoides.
Seguridad intrínseca: Estas válvulas cumplen con los requisitos de "seguridad intrínseca" para entornos explosivos, ya que almacenan una cantidad mínima de energía, reduciendo el riesgo de ignición.
Alta velocidad de conmutación: Capaces de operar en el rango de submicrosegundos, las válvulas piezoeléctricas son perfectas para aplicaciones que requieren una respuesta rápida, como sistemas de clasificación de alta velocidad y circuitos de control de bucle cerrado.
Propiedades antimagnéticas: La tecnología piezoeléctrica funciona de manera confiable en entornos con campos magnéticos elevados, como sistemas de resonancia magnética (IRM).
Peso mínimo: Normalmente fabricadas con plástico y sin componentes de hierro y cobre, las válvulas piezoeléctricas son ligeras y portátiles.
Costos bajos: La producción en masa de la tecnología piezoeléctrica puede ser rentable, como se ve en encendedores piezoeléctricos económicos.
Larga vida útil: Con un solo componente de estado sólido y sin partes propensas a fricción, las válvulas piezoeléctricas pueden lograr un alto número de ciclos de operación cuando están diseñadas correctamente.

Nota: No todas estas ventajas pueden ser completamente realizadas en una sola válvula, ya que los diseños suelen adaptarse a aplicaciones específicas donde se priorizan ciertos beneficios.

Diseños de válvulas piezoeléctricas

Los siguientes componentes son comunes en las válvulas piezoeléctricas:

Actuador piezoeléctrico: Convierte la energía eléctrica en movimiento mecánico para controlar la operación de la válvula.
Cuerpo de la válvula: Alberga todos los componentes internos y proporciona integridad estructural.
Puerto de entrada: Punto de entrada para que el líquido o gas entre en la válvula.
Puerto de salida: Punto de salida para que el líquido o gas salga de la válvula.
Elemento de sellado: Asegura un sellado hermético para evitar fugas cuando la válvula está cerrada.
Conectores eléctricos: Proporcionan la interfaz para señales eléctricas que controlan el actuador.
Soporte de montaje: Permite que la válvula se fije de forma segura a una superficie o sistema.
Electrónica de control: Gestiona la operación del actuador piezoeléctrico en función de las señales de entrada.

Estilos de actuadores piezoeléctricos

Actuadores de flexión

Los actuadores de flexión son rectangulares y conductivos en ambas superficies. Esta cerámica se une a un sustrato conductor, formando electrodos. Cuando se aplica voltaje, la cerámica se expande a lo largo del campo eléctrico, haciendo que el actuador se doble en su extremo libre. Estos actuadores vienen en varias versiones con diferentes características de fuerza y movimiento, lo que los hace adecuados para aplicaciones como válvulas neumáticas, máquinas de tejer circulares y módulos Braille. Una variante notable es el trimorfo, que incluye una capa cerámica adicional, mejorando el rendimiento y el rango de temperatura.

Un actuador de flexión piezoeléctrico está fijo en un extremo y tiene un resorte unido en el otro (izquierda). Cuando se activa, el extremo no fijo se mueve para accionar la válvula (derecha).

Figura 2: Un actuador de flexión piezoeléctrico está fijo en un extremo y tiene un resorte unido en el otro (izquierda). Cuando se activa, el extremo no fijo se mueve para accionar la válvula (derecha).

Transductores de disco

Los transductores de disco son elementos piezoeléctricos simples en forma de discos cerámicos delgados unidos a sustratos metálicos. La superficie del disco está metalizada para crear un campo eléctrico cuando se aplica voltaje. Esto hace que la cerámica se expanda, aumentando el grosor del disco y reduciendo su diámetro, lo que resulta en un movimiento de flexión esférico. Este efecto de flexión se utiliza en altavoces de alta frecuencia, sensores, micorbombas, ventiladores y generadores de ultrasonido, comúnmente encontrados en sensores de distancia automotrices.

Transductores de apilamiento

Los transductores de apilamiento, o pilas piezoeléctricas, consisten en múltiples discos piezoeléctricos apilados mecánicamente en serie y conectados eléctricamente en paralelo. A diferencia de los transductores de disco, su funcionamiento se basa en la expansión directa a lo largo del campo eléctrico, lo que permite recorridos cortos pero genera fuerzas de actuación significativas. Estos transductores se utilizan en aplicaciones que requieren alta fuerza, como válvulas de líquido en sistemas de inyección de combustible diésel y dispositivos de micro-posicionamiento.

Tabla 1: Desplazamiento y fuerza generada de los transductores de flexión, disco y apilados

Tipo de transductor	Flexión	Disco	Apilados
Desplazamiento	100 - 1000 µm	10 - 100 µm	10 - 100 µm
Fuerza	0.1 - 2 N	1 - 10 N	1,000 - 10,000 N

Principio de funcionamiento

Esta sección describe el principio de funcionamiento de una válvula piezoeléctrica típica:

Utilización del elemento piezoeléctrico: Las válvulas piezoeléctricas utilizan principalmente actuadores de flexión hechos de elementos piezoeléctricos. El rendimiento de estas válvulas mejora con un campo eléctrico más fuerte.
Eficiencia energética: A diferencia de las válvulas solenoides, las válvulas piezoeléctricas no requieren una corriente continua para mantener su estado. Solo necesitan un voltaje de suministro más alto durante la fase inicial de encendido, consumiendo significativamente menos energía en general.
Cálculo de la energía de encendido: La energía requerida para encender una válvula piezoeléctrica se puede aproximar utilizando la fórmula, donde (C) es la capacitancia y (U) es el voltaje de control. Típicamente, esta energía varía de 0.5 a 5 milisegundos de vatio (mWs).
Mantenimiento del estado de la válvula: Una vez activadas, las válvulas piezoeléctricas mantienen su estado incluso si se desconecta la fuente de alimentación. Esto se debe a que los portadores de carga no pueden fluir sin una descarga activa.
Restablecimiento de la válvula: Para restablecer la válvula, la carga debe eliminarse del transductor. Esto se puede hacer almacenando la energía en otro sistema (recuperación de energía) o convirtiéndola en calor (cortocircuito). Por lo tanto, es necesario un interruptor de cambio en lugar de un simple interruptor de encendido y apagado.
Generación de alto voltaje: Las válvulas piezoeléctricas de alto rendimiento requieren alto voltaje, que se puede generar eficientemente utilizando un convertidor elevador. Este dispositivo utiliza el alto voltaje de inducción de un interruptor cíclico de una bobina, almacenándolo en un capacitor.
Funcionamiento del convertidor elevador: Un convertidor elevador puede lograr un voltaje de salida de 300 V desde una entrada tan baja como 1 V. El oscilador para el interruptor a menudo se puede integrar en el microprocesador existente del sistema, o se pueden utilizar circuitos integrados especializados.
Eficiencia y regulación: Los circuitos integrados diseñados para este propósito gestionan la regulación del voltaje de salida y garantizan una alta eficiencia, a menudo superando el 80%.

El actuador cerámico (A) está permanentemente polarizado cuando está en un campo eléctrico fuerte (B) y mantiene esta polarización cuando el campo eléctrico se apaga (C). Cuando se aplica voltaje, el material cerámico se deforma entre las líneas de campo (D).

Figura 3: El actuador cerámico (A) está permanentemente polarizado cuando está en un campo eléctrico fuerte (B) y mantiene esta polarización cuando el campo eléctrico se apaga (C). Cuando se aplica voltaje, el material cerámico se deforma entre las líneas de campo (D).

Aplicaciones de la válvula piezoeléctrica

La siguiente lista contiene aplicaciones comunes de las válvulas piezoeléctricas:

Control de flujo en la producción de semiconductores para procesos de recubrimiento y unión
Manipulación no destructiva de piezas de trabajo frágiles utilizando controladores de velocidad para cilindros neumáticos de doble efecto
Dosificación rápida y precisa en aplicaciones industriales de adhesivos
Control preciso de caudales en diversas aplicaciones industriales
Pulido de obleas en la producción de semiconductores mediante el control de presión y vacío
Ventiladores móviles en tecnología médica para una operación compacta, energéticamente eficiente y silenciosa
Herramientas quirúrgicas accionadas neumáticamente en oftalmología para cirugía de cataratas
Inflado de cojines de aire en asientos de automóviles para mayor comodidad y soporte
Asistente de Manipulación Biónica para dosificación precisa y con propósito de aire comprimido

Criterios de selección

Los siguientes criterios de selección para una válvula piezoeléctrica se crean utilizando las características de la válvula piezoeléctrica de Festo (VEVM). Utilice estas características para saber en qué centrarse al seleccionar válvulas piezoeléctricas.

Datos generales

Método de restablecimiento: Muelle
Mecanismo de cierre: Asiento de pistón
Dirección del flujo: No reversible
Indicación de estado: Un LED azul significa función normal. Un LED rojo significa mal funcionamiento.
Tamaño nominal: 4.2 mm
Tasa de flujo nominal estándar: 450 l/min
Peso: 200 g
Protección: IP65

Condiciones de funcionamiento y ambientales

Medio de funcionamiento: Aire comprimido (ISO 8573)
Lubricación: No permitida
Presión de funcionamiento: 3 - 8 bar (43.5 - 116 psi)
Temperatura de funcionamiento: 5 - 45 °C (41 - 113 °F)

Datos eléctricos

Voltaje de funcionamiento: 24VCC
Fluctuaciones de voltaje permitidas: +/- 25%
Consumo de energía: 2W
Ciclo de trabajo: 100%

Conexiones neumáticas

G3/8: Suministro, escape
G1/8: Conexiones de trabajo
M5: Suministro de aire piloto
M7: Escape de aire piloto, agujero de ventilación

Materiales

Carcasa: PA
Juntas: TPE-U(PU), NBR

Preguntas frecuentes