Solenoides frente a actuadores lineales para automatización industrial

Los solenoides y actuadores lineales son dispositivos estándar para aplicaciones industriales. En su mayor parte, controlan el movimiento de mecanismos o sistemas que requieren automatización. Cuando los utiliza un controlador principal con una señal de retroalimentación, permiten un movimiento controlado con precisión.

¿Qué es un solenoide?

El término solenoide se refiere a un dispositivo en el sector industrial que requiere un campo magnético para funcionar. Incluye una bobina conductora por la que puede pasar una corriente eléctrica. A medida que la corriente eléctrica pasa a través de la bobina, se desarrolla un campo magnético y un émbolo metálico dentro de la bobina se mueve bajo la fuerza del campo magnético.

Cuando se apaga la corriente eléctrica, el campo magnético se vuelve cero. El émbolo metálico ya no está bajo la fuerza del campo magnético y puede moverse libremente. El émbolo está cargado con un resorte, que retrae el émbolo a su posición inicial bajo un campo magnético cero.

¿Qué es un actuador lineal?

Un actuador lineal es un dispositivo que crea el movimiento lineal de un conjunto mecánico adjunto, generalmente una varilla. El movimiento lineal se ejecuta con un motor incorporado conectado a la barra lineal a través de engranajes de diferentes tamaños y relaciones. A medida que gira el motor, los engranajes convierten el movimiento de rotación en movimiento lineal.

Los actuadores lineales generalmente usan motores con escobillas o sin escobillas de corriente continua (CC) y una fuente de alimentación CC, como 12 V CC o 24 V CC. Sin embargo, no se requieren motores de CC. Los motores paso a paso y de inducción también pueden mover actuadores lineales, según la carga y la aplicación. La dirección del movimiento del actuador se puede invertir fácilmente invirtiendo los terminales de la fuente de alimentación.

Figura 1. Un actuador lineal. Imagen utilizada por cortesía de Bola Systems

Los actuadores lineales contienen sensores en los extremos mínimo y máximo para detectar el recorrido de la varilla en ambos extremos y, si es necesario, detener el movimiento adicional para evitar daños en los componentes internos. La velocidad del actuador lineal no es rápida pero puede entregar una potencia significativa. Por esta razón, los actuadores lineales se utilizan en aplicaciones que requieren movimiento contra elementos pesados. Algunos actuadores lineales también incluyen señales de retroalimentación, que indican su alcance límite.

La barra lineal no puede moverse a su posición inicial cuando no hay corriente. En cambio, requiere voltaje de CC en polaridad opuesta para mover la varilla de regreso a su posición inicial.

Comparación de solenoides y actuadores lineales

Veamos algunas similitudes y diferencias entre solenoides y actuadores lineales.

Similitudes

• Ambos dispositivos pueden activar o controlar otro conjunto o sistema mecánico.
• Ambos dispositivos pueden generar movimiento con fuerza, lo que los hace adecuados para aplicaciones que requieren una operación estable y contundente.
• La salida de ambos dispositivos es un movimiento lineal de una varilla metálica.
• Permanecen activados mientras permanezca un voltaje aplicado; la activación se detiene cuando el voltaje se vuelve cero.

Diferencias

Algunas áreas clave que distinguen a los solenoides y actuadores entre sí incluyen el voltaje aplicado, la dirección del movimiento y la retroalimentación.

Voltaje aplicado: Los solenoides requieren voltaje de corriente alterna (CA) para su activación y movimiento porque utilizan un campo magnético para su funcionamiento, y solo el voltaje de CA puede crear el campo magnético. Los actuadores lineales tienden a utilizar motores de CC, que no pueden funcionar con voltaje de CA.

Dirección del movimiento: Los solenoides solo pueden crear movimiento en una dirección. Cuando no se aplica voltaje, la fuerza se detiene y el émbolo mecánico permanece presente a menos que se cargue con el resorte para devolverlo a su posición inicial.

Figura 2. El movimiento básico de un actuador lineal. Imagen utilizada por cortesía de Bcraig15

Los actuadores lineales pueden moverse tanto hacia adelante como hacia atrás. Se logra cambiando la polaridad del voltaje de CC aplicado en los terminales del actuador. Esto permite controlar el conjunto adjunto en ambas direcciones. La posición del actuador lineal permanece fija en su posición actual, incluso en ausencia de voltaje aplicado.

Comentarios: Los solenoides no permiten rastrear la posición de la varilla, ni se puede implementar la retroalimentación de posición porque el movimiento es en una sola etapa con una posición máxima. En cambio, la retroalimentación del ensamblaje externo o los sistemas mecánicos proporciona el estado de los solenoides y puede monitorear el solenoide.

Los actuadores lineales pueden proporcionar retroalimentación directa sobre su movimiento en función de su posición límite mínima y máxima. El movimiento completo también se puede rastrear con sensores externos y circuitos de control. Las versiones avanzadas también pueden tener funciones integradas de retroalimentación de posición sin usar componentes o circuitos externos.

Aplicaciones industriales de solenoides y actuadores lineales

Veamos algunas aplicaciones industriales de solenoides y actuadores lineales.

Solenoides

Válvulas: Los solenoides se pueden usar en combinación con válvulas, llamadas válvulas solenoides. Las válvulas solenoides son comunes en aplicaciones industriales en las que intervienen fluidos, como agua y vapor. Encienden y apagan las válvulas y proporcionan una forma eficaz de cambiar el suministro de fluido sin la participación humana.

Figura 3. Las electroválvulas se utilizan para refrigeración industrial. Imagen utilizada por cortesía de Danfoss

Las áreas comunes de aplicación de las válvulas solenoides incluyen equipos para alimentos y bebidas, productos farmacéuticos, HVAC y servicios públicos.

Contactores y relés: La bobina de solenoide también se usa comúnmente en contactores y relés, que también se usan en el desarrollo de circuitos eléctricos y electrónicos. La bobina del solenoide está conectada a los contactos y puede moverse para hacer o romper el contacto. La bobina se activa y desactiva con el voltaje de suministro de la fuente externa, que generalmente proviene del controlador principal o del controlador lógico programable (PLC).

En el caso de contactos normalmente abiertos (NO), los contactos se hacen cuando la bobina se energiza, conectando la fuente de voltaje a los contactos terminales. De manera similar, cuando las bobinas se desenergizan, los contactos se rompen, desconectando la fuente de voltaje a la fuente terminal. En el caso de contactos normalmente cerrados (NC), ocurre lo contrario.

Mecanismo de bloqueo: Las bobinas de solenoide también se pueden utilizar como mecanismo de bloqueo en las industrias manufactureras. La bobina del solenoide activa un bloqueo cuando se energiza y desactiva el bloqueo cuando se desenergiza. Los mecanismos de bloqueo se pueden emplear en diferentes partes de la máquina para garantizar la seguridad del producto o de las personas. Cuando la máquina está en funcionamiento, el bloqueo se activa y restringe el acceso a piezas móviles o peligrosas.

Por ejemplo, en las cajas de paso utilizadas en la industria farmacéutica, un mecanismo de bloqueo restringe la apertura de la puerta durante un período específico y evita la apertura simultánea de ambos lados.

Actuadores lineales

Veamos algunas áreas de aplicaciones para actuadores lineales.

HVAC: Los actuadores lineales son una parte integral de los componentes de HVAC, como las unidades de tratamiento de aire (AHU), ya que la regulación de los componentes de HVAC requiere un cambio en diferentes parámetros, como la velocidad del ventilador y el suministro de agua enfriada. Por ejemplo, en AHU, los actuadores lineales abren y cierran las compuertas de aire para controlar el flujo de aire en el área de suministro.

Máquinas de embalaje: Los actuadores lineales se utilizan en máquinas de envasado y están comenzando a reemplazar los sistemas de carrera neumáticos. Ejecutan muchas funciones, incluida la inserción y el encajonamiento.

Los actuadores lineales se adaptan mejor a las operaciones de embalaje porque pueden ejecutar funciones con fuerza, lo que les permite manipular artículos pesados. La longitud de su carrera puede variar según los requisitos del paquete, lo que les permite utilizar objetos de varias dimensiones y tamaños sin necesidad de realizar cambios. Esto ayuda a los usuarios de la máquina a reducir los tiempos de cambio y aumentar la productividad. Otras ventajas incluyen una limpieza y un mantenimiento sencillos.

El desarrollo de PLC y sistemas de automatización ha permitido a los fabricantes de máquinas ofrecer máquinas rentables y eficientes, contribuyendo al éxito general de todas las industrias. Sin embargo, los sistemas de automatización por sí solos no son suficientes. Requiere componentes mecánicos que puedan actuar de acuerdo con los requisitos del proceso, sean compatibles con un sistema de automatización y puedan comunicarse en consecuencia.

Los solenoides y los actuadores lineales son dos de muchos de estos componentes mecánicos. Se utilizan en diversas industrias para entregar los parámetros del proceso con el último sistema de automatización. Han permitido a los fabricantes migrar a sistemas eficientes al reemplazar componentes productivos y de menor eficiencia energética.