Solenoides - Actuadores mecánicos - 330ohms

Un solenoide es un dispositivo electromagnético usado para aplicar una fuerza mecánica lineal en respuesta al paso de una corriente a través del embobinado, la cual debe mantenerse para mantener la fuerza en el émbolo. El solenoide está conformado por un embobinado hueco que se encuentra dentro de un contenedor rectangular o cilíndrico, cuyos costados suelen estar abiertos. En uno de los costados tiene un orificio en donde el émbolo es empujado hacia afuera. Cuando deja de alimentarse de corriente al embobinado, el émbolo regresa a su posición original gracias a un resorte.

Cuando una corriente eléctrica fluye a través de un alambre conductor, éste genera un campo magnético cuyos polos están determinados por la dirección del flujo de la corriente en el embobinado. Si el émbolo está hecho de un material ferromagnético, el campo magnético creado por el paso de la corriente en el embobinado atraerá el émbolo hacia el centro del embobinado. Por otra parte, se coloca un resorte para que aplique una fuerza de resistencia proporcional mientras el émbolo entra en la cavidad rodeada por el embobinado.

El contenedor del solenoide incrementa el campo magnético que el embobinado puede ejercer al proporcionar un circuito magnético de baja reluctancia -la reluctancia puede comprenderse como el símil de la resistencia eléctrica, es la resistencia magnética, esto es, la oposición al paso de un flujo magnético- Si la corriente que circula por el embobinado se incrementa a tal grado que el contenedor queda completamente saturado, la fuerza de empuje del solenoide caerá abruptamente, incrementando a su vez la temperatura del embobinado.

Existen las siguientes configuraciones de solenoides:

• De tiro o disparo. Estos solenoides son los más comunes en los cuales un émbolo se desplaza mientras se energice la bobina. Cuando esto no ocurre, el émbolo vuelve a su posición inicial.
• De cierre. En estos solenoides los émbolos contienen un imán permanente. Cuando se energiza el embobinado el émbolo se mueve y cuando llega hasta el final de su carrera el imán lo mantiene ahí, incluso cuando deja de pasar corriente a través del embobinado. Para regresar el émbolo a la posición original, hay que energizar nuevamente el embobinado inversamente, esto es, invertir la polaridad de las conexiones.
• Rotatorios. Su funcionamiento es muy similar a un motor brushless de CD y hace que el émbolo gire un ángulo fijo -comúnmente entre los 25° y 90°- en vez de moverse linealmente. Estos solenoides pueden apreciarse en los indicadores mecánicos de los paneles de control, como los de los automóviles.

Los parámetros más importantes en un solenoide son:

• Carrera del émbolo. Es la distancia que recorre el émbolo desde su posición inicial hasta su posición final.
• Ciclo de trabajo. El ciclo de trabajo es el tiempo en el cual el solenoide puede estar energizado a su voltaje nominal sin sufrir sobrecalentamiento, esto es, hay un lapso en el cual puede estar energizado y después de ese lapso hay un tiempo en el cual el solenoide está apagado para disipar parte del calor generado para posteriormente volver a energizarse nuevamente. El ciclo de trabajo se determina por medio de porcentajes con la siguiente expresión:

Ciclo de trabajo = (Te / [Te + Ta]) x 100%

Te representa el tiempo de encendido y Ta es el tiempo de apagado. Ahora se tendrá un breve ejemplo: si un solenoide tiene un tiempo de encendido de 30 segundos y un tiempo de apagado de 90 segundos antes de ser energizado nuevamente, el ciclo completo es de 120 segundos, por lo que, al emplear la expresión anterior se tiene:

 Ciclo de trabajo = (30 [s] / {30 [s] + 90 [s]}) x 100% = (30 [s] / 120 [s]) x 100% = 25%

Por lo tanto el ciclo de trabajo es del 25%. Una vez mostrado este ejemplo, cabe mencionar que los fabricantes de los solenoides proporcionan el tiempo de encendido y de apagado.

•  Fuerza. Es la fuerza con la que actúa el pistón al ser energizado.

Dependiendo de la cantidad de espiras que contenga el embobinado, mientras más espiras tenga, mayor será la fuerza magnética inducida. Lo anterior implica que si un solenoide pequeño y uno grande proporcionan la misma fuerza en la misma distancia, el solenoide pequeño consumirá más corriente que el grande debido a que el embobinado tiene menos espiras.

Por ello es muy importante tomar en cuenta el calor que genere el solenoide, ya que si se sobrecalienta demasidado, puede quemar la cubierta de barniz del alambre del embobinado. Asimismo, al tratarse de un dispositivo con elementos inductivos, generan fuerzas electromotrices -FEM- Si se está trabajando con circuitos digitales, es necesario colocar un diodo de protección para evitar que picos de corriente afecten esos y otros componentes.

Finalmente también es importante mencionar que en muchos solenoides el émbolo no se encuentra anclado dentro de la carcasa, por lo que si son sometidos a vibraciones intensas, pueden romperse.

He aquí una fuente y algunos sitios en los cuales puede revisar con más detalles la información acerca de los solenoides:

http://www.electronics-tutorials.ws/io/io_6.html

http://www.nsfcontrols.co.uk/technical-support/solenoid-fundamentals/

Platt, Charles, Encyclopedia of Electronics Components. Power Sources & Conversion, Volume I,O’Reilly Media Inc., U.S.A., Pages 173-177.