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Oct 12, 2023

Mecanismos: Solenoides

Desde que los humanos empezaron a jugar con la electricidad, hemos demostrado ser bastante inteligentes a la hora de encontrar formas de aprovechar ese poder y convertirlo en movimiento. Los motores eléctricos de todo tipo mueven el mundo,

Desde que los humanos empezaron a jugar con la electricidad, hemos demostrado ser bastante inteligentes a la hora de encontrar formas de aprovechar ese poder y convertirlo en movimiento. Los motores eléctricos de todo tipo mueven el mundo, pero están lejos de ser la única forma de poner la electricidad en movimiento. Cuando desea una rotación continua, un motor es el camino a seguir. Pero para aplicaciones de encendido y apagado más simples, donde el control preciso de la posición no es crítico, lo que necesita es más bien un solenoide. Estos dispositivos electromagnéticos se encuentran en todas partes y son los siguientes en nuestra serie sobre mecanismos útiles.

Un físico le dirá que un solenoide es simplemente una bobina de alambre a través de la cual puede pasar corriente. Eso es todo. Sin embargo, aparte de en el laboratorio de física, un dispositivo tan simple no tiene mucho uso mecánico, por lo que lo que tendemos a considerar un solenoide es un poco más complicado. Un solenoide práctico tiene una bobina, pero también tendrá varias partes mecánicas para que funcione como actuador.

Un solenoide de émbolo es un buen ejemplo de lo básico. El núcleo de aire de la bobina del solenoide está parcialmente ocupado por un émbolo de hierro o acero dulce, mantenido en su lugar mediante un resorte de retorno. Cuando se aplica corriente a la bobina, se forma un campo magnético y el émbolo es empujado con fuerza hacia el núcleo del solenoide. Cuando la corriente deja de fluir, el campo magnético colapsa y el resorte de retorno fuerza al émbolo a regresar al estado de reposo. Esto es característico de la mayoría de los solenoides: están activados o no. Esto los hace ideales para trabajos que requieren colocar algo en una posición u otra en una distancia corta, como válvulas que detienen el flujo de líquido a través de una tubería o tubería.

Los solenoides de émbolo varían en tamaño desde los más pequeños hasta los ridículamente grandes. En el lado pequeño, los solenoides de émbolo sirven como actuadores para válvulas de microfluidos en aplicaciones científicas y médicas, y en el cabezal de accionamiento para el estilo de impacto de las impresoras matriciales (sí, cada uno de esos puntos es el émbolo de un solenoide).

Es probable que interactúes con solenoides de tamaño mediano a diario. El clic al principio y al final de la máquina de hielo de tu frigorífico es lo que enciende y apaga el agua para rellenar la bandeja. Escuchará un clic similar en las máquinas de refrescos. Y aquellos magos del pinball entre nosotros darán fe de que las fuerzas que lanzan esa bola plateada por el campo de juego son generadas por solenoides.

Para aumentar la escala, hay un solenoide bastante grande dentro del motor de arranque de casi todos los automóviles y camiones que circulan por la carretera, al menos aquellos con motores de combustión interna. El solenoide se encuentra encima del motor de arranque y es responsable de conectar y desconectar el motor de arranque del sistema. El émbolo del solenoide está unido al eje de transmisión del motor mediante una palanca. Cuando se gira la llave de encendido, la bobina del solenoide se energiza, tirando del émbolo hacia adentro y moviendo la palanca hacia afuera a lo largo del eje del motor que ahora gira. Esto hace que un piñón se engrane con el volante del motor para hacer girar el motor hasta que arranque.

Hay otros estilos de solenoides disponibles, incluidos los solenoides rotativos. Estos son exactamente lo que parecen: actuadores que pueden girar entre dos posiciones. Los diseños varían, pero los tipos más comunes tienen un rotor de imán permanente en un eje dentro del núcleo del solenoide. Cuando se energiza la bobina, el rotor experimenta un par debido al campo magnético, muy parecido al rotor de un motor de imán permanente. Sin embargo, el rotor solo se mueve hasta una parada física y un resorte lo devuelve a la posición de reposo cuando se desactiva la bobina. Si se invierte la polaridad de la bobina, entonces el rotor y el eje pueden girar en sentido contrario, lo que hace que este estilo de solenoide giratorio sea biestable. Otros solenoides giratorios utilizan un disco de metal con ranuras en rampa y rodamientos de bolas; cuando el émbolo es succionado hacia el núcleo, los rodamientos de bolas obligan al disco y al eje a girar a lo largo de las ranuras.

Como dispositivos eléctricamente simples, los solenoides pueden funcionar con CA o CC. Un solenoide de CC tiende a ser más silencioso porque el campo magnético es constante mientras la bobina está energizada. Un solenoide de CA tiende a vibrar a medida que varía el campo magnético y la fuerza del resorte de retorno lo supera en el instante en que la corriente cambia de dirección en la bobina. Esta tendencia puede mitigarse mediante el uso de un anillo de sombreado para alterar el circuito magnético de los solenoides de CA. Un anillo de sombreado es simplemente un pequeño anillo de cobre que se encuentra dentro del núcleo del solenoide para que entre en contacto con el émbolo cuando está completamente retraído. El campo magnético de la bobina energizada induce una corriente dentro del anillo, que a su vez crea su propio campo magnético que retrasa la fase del campo del solenoide en 90°. Cuando el campo del solenoide cae a cero cuando la forma de onda de CA pasa por el punto cero, el flujo magnético del anillo de sombreado mantiene el solenoide retraído, eliminando el molesto ruido.

Si bien cualquier solenoide funcionará con CA o CC, se debe tener cuidado de observar las especificaciones de la bobina. Los solenoides representan una carga inductiva y, por lo tanto, su impedancia es mucho mayor en aplicaciones de CA. Entonces, si un solenoide clasificado para 24 VCA fuera alimentado por 24 VCC, probablemente se quemaría rápidamente ya que la corriente que lo atraviesa excedería las especificaciones de diseño. Esto podría evitarse con una resistencia limitadora de corriente o reduciendo el voltaje de suministro de CC.

Al igual que su primo el relé, los solenoides tienen el potencial de dañar cualquier circuito que los controle. Cuando se elimina la corriente que fluye a través de una bobina de solenoide o relé, el voltaje aumenta a medida que el campo magnético colapsa. Si ese pico llega a componentes sensibles, como un transistor que acciona la bobina, el dispositivo podría destruirse. El remedio clásico para esto con las bobinas de CC es el diodo amortiguador, conectado en paralelo a través de la bobina con el ánodo en el lado negativo. El amortiguador proporciona a la corriente inducida un lugar a donde ir cuando se retira la energía de la bobina para evitar que induzca el pico de alto voltaje. Los diodos amortiguadores no funcionan en bobinas de CA, por lo que un amortiguador RC, con una pequeña resistencia y capacitancia en serie entre sí colocados en paralelo a través de la bobina, cumple el mismo propósito.

Este es sólo un breve vistazo a qué son y qué hacen los solenoides, y cómo incorporar estos mecanismos en sus diseños.